Co będzie obserwować Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba? Zobaczymy "początki wszechświata"

• Pod koniec grudnia wystrzelono w kosmos rakietę z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Czy można powiedzieć, że zakończyliśmy 2021 rok mocnym akcentem?

– Zdecydowanie tak. To było bardzo długie oczekiwanie, które zakończyło się – jak na razie – zdecydowanym sukcesem. Teleskop gładko poleciał w kosmos, dokładnie po takiej trajektorii, jaka była oczekiwana. Póki co, rozkładanie go w kosmosie przebiega bezproblemowo.

• Jakie nadzieje wiąże się z tym projektem?

– Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może zrewolucjonizować naszą wiedzę o kosmosie, tak jak uczyniło to wcześniej wystrzelenie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Nasza atmosfera jest czymś, co znacznie ogranicza nasze możliwości oglądania kosmosu, w szczególności poza zakresem światła widzialnego. Światło podczerwone, czyli takie o dłuższych falach niż światło widzialne, to jest ten zakres, w którym Teleskop Webba będzie obserwował kosmos.

Ten zakres jest w dużej mierze ograniczony właśnie przed naszą atmosferę, w związku z czym do jego obserwacji jest potrzebne wykorzystanie teleskopów kosmicznych. Zaglądając w kosmos za pomocą teleskopu podczerwonego, możemy sięgnąć głębiej, zobaczyć rzeczy niedostrzegalne dla nas do tej pory i jeszcze starsze niż do tej pory ujawnione przez nasze teleskopy.

• Kosmiczny Teleskop Hubble’a trafił na orbitę w 1990 roku. Od tamtego momentu minęły już 32 lata. Czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie jego następcą?

– Pod pewnymi względami, przy czym to nie jest teleskop, który zastąpi Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Teleskop Webba będzie, niejako, poszerzał badania w zakresach, w których Teleskop Hubble’a już je przeprowadził. Umożliwi też zupełnie nowe badania, ale nie wszystkie obserwacje Hubble’a będzie można „powtórzyć”.

Webb to przede wszystkim teleskop podczerwony. Z kolei Hubble obserwował kosmos w świetle widzialnym, częściowo w ultrafiolecie i w małym stopniu w podczerwieni. Wchodzimy w nowy zakres obserwacji wszechświata, a przynajmniej w dużo lepsze możliwości obserwacji w tym zakresie podczerwonym.

• Główne zwierciadło Teleskopu Webba jest kilkukrotnie większe od tego, którym dysponuje Teleskop Hubble’a i ma inny kształt. Wygląda jak plaster miodu. Jakie to ma znaczenie?

– Teleskop Hubble’a ma zwierciadło monolityczne, czyli złożone z jednego elementu. Gdyby chcieć skonstruować takie zwierciadło i tego rozmiaru co główne zwierciadło Webba, to byłoby ono niesamowicie ciężkie. Przy okazji szanse na jego uszkodzenie też byłyby spore. Tutaj głównym ograniczeniem jest waga zwierciadła.

Zwierciadło Webba jest zbudowane z sześciokątnych segmentów, których łącznie jest 18. Są one znacznie lżejsze, a przy okazji mają możliwość niezależnego korygowania wzajemnego ustawienia. Daje to możliwość, niejako, zmiany kształtu tego zwierciadła już po starcie. To jest w pewnym stopniu ograniczone jakością wykonania tych zwierciadeł, ale sama długość czasu pracy nad nimi sugeruje, że przyłożono do tego dużą wagę.

Ten teleskop był przygotowywany przez, mniej więcej, 24 lata, od momentu sformułowania pierwszej koncepcji. To naprawdę bardzo długo. Nie wszystkie rzeczy poszły pomyślnie podczas jego planowania i konstrukcji. Koszt budowy był kilkukrotnie przekroczony względem pierwszych szacunków. Tym niemniej, ostateczna konstrukcja, jeśli wszystko rozłoży się w kosmosie tak, jak powinno, będzie fantastycznym krokiem naprzód dla astronomii.

Teleskop Jamesa Webba będzie w stanie badać atmosfery planet krążących wokół innych gwiazd, które – jak na razie – wykrywamy tylko jako takie drobne pociemnienia gwiazd wtedy, kiedy planeta przechodzi przed ich tarczą. Będzie w stanie obserwować także ciała naszego układu planetarnego, podobnie jak Teleskop Hubble’a, wliczając w to nie tylko wielkie planety, ale również mniejsze ciała niebieskie jak duże planetoidy czy planety karłowate. I to ze znacznie wyższą rozdzielczością, niż był to w stanie zrobić Hubble.

Będzie w stanie, prawdopodobnie, zobaczyć światło pierwszych gwiazd w naszym kosmosie, ponieważ patrząc w podczerwieni, będzie w stanie zarejestrować światło, które przez rozszerzanie się wszechświata zostało rozciągnięte daleko poza zakres światła, w którym zostało wyemitowane – widzialnego czy ultrafioletowego.

• Spotkałem się nawet z takim określeniem, że Teleskop Webba pomoże nam zobaczyć „początki wszechświata”.

– Każdy teleskop jest trochę ograniczony swoją rozdzielczością, a z drugiej strony zdolnością zbierania światła. Mając zdecydowanie większe zwierciadło, Teleskop Jamesa Webba będzie zbierał znacznie więcej światła niż Teleskop Hubble’a. Będzie to światło w innym zakresie, które jest dłuższe, a przez to pochodzi z chłodniejszych z naszego punktu widzenia obiektów. Chłodniejszych niekoniecznie z tego powodu, że same z siebie są zimniejsze, ale być może ich światło zostało w ten sposób przekształcone przez rozszerzanie się wszechświata.

• Niezwykle ważnym aspektem jest również to, że Teleskopu Webba – w przeciwieństwie do Teleskopu Hubble’a – nie będzie można naprawiać w kosmosie. Czyli musi to być konstrukcja jak najmniej awaryjna.

– Zgadza się. Kosmiczny Teleskop Hubble’a jest na niskiej orbicie okołoziemskiej, zaledwie 540 kilometrów nad Ziemią. Dzięki temu był w zasięgu lotu wahadłowców, które wykonały do niego pięć misji naprawczych. Pozwoliły nie tylko poprawić pewne błędy, związane na przykład ze szlifowaniem głównego zwierciadła, do którego potrzebne były „okulary”, ale też wymieniać i aktualizować sprzęt, który się zużywał, bądź który mógł zostać zastąpiony przez nowsze instrumenty.

W przypadku Webba nie ma takiej możliwości, bo ten teleskop będzie umieszczony 1.5 miliona kilometrów od Ziemi, na takiej specyficznej orbicie okołosłonecznej, na której będzie utrzymywał, mniej więcej, stały dystans względem naszej planety.

• Działanie Teleskopu Webba jest zagwarantowane na pięć lat. To wystarczająco długi czas na dogłębne badanie kosmosu?

– Wszystkie takie gwarantowane czasy w misjach kosmicznych, czy to Amerykańskiej, czy Europejskiej Agencji Kosmicznej, są pomyślane pod kątem tego, żeby podstawowe cele takiego urządzenia dało się zrealizować w obrębie tego zakresu. To jest szczególnie widoczne, na przykład, w przypadku misji łazików marsjańskich. Łaziki z serii Mars Exploration Rovers miały zagwarantowany czas działania na Marsie przez 90 marsjańskich dni (doba marsjańska trwa 24 godziny, 39 minut i 35 sekund – dop. red.). Jeden z nich działał około 14 lat na powierzchni tej planety. To nie jest tak, że urządzenie się zepsuje po tym czasie, tylko spodziewamy się, że cele, dla których ten teleskop został skonstruowany i wysłany, w podstawowym zakresie da się w tym czasie zrealizować.

Istotnym ograniczeniem dla Teleskopu Jamesa Webba jest konieczność utrzymania jego aparatury w niskiej temperaturze. Do tego jest potrzebne pewne manewrowanie silnikami, ponieważ punkt, w którym się znajduje nie gwarantuje mu stuprocentowej stabilności w każdym kierunku. Tym niemniej, tego paliwa jest dostatecznie dużo, żeby teleskop mógł działać zdecydowanie więcej niż takie minimum.

• Sami naukowcy mówią też, że zostaną wręcz „zalani danymi”.

– Wystarczy spojrzeć na to, jak wyglądają badania z użyciem Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Wciąż publikowane są nowe prace oparte o obserwacje tego teleskopu i naukowcy wciąż starają się o to, by mieć udostępniony czas pracy na tym urządzeniu.

Podobnie może być z Teleskopem Jamesa Webba. Jesteśmy  obecnie w takim etapie rozwoju astronomii, kiedy dane zbierane przez nasze wielkie obserwatoria – zarówno kosmiczne, jak i naziemne – są gromadzone w takich ilościach, że ich przetworzenie wymaga często użycia sztucznej inteligencji. I to do samego tylko przebrania zebranych danych i wyłowienia z nich pewnych trendów, istotnych informacji. Człowiekowi trudno jest ogarnąć takie ilości danych, jakie są zbierane przez obserwatoria kosmosu.

• Co może pójść nie tak w takim projekcie?

– Bardzo wiele rzeczy. Jeśli myślimy o tym, co działo się na Ziemi, to podczas konstrukcji tego teleskopu, na przykład, były wyraźnie niedoszacowane i czasy, i koszty pracy nad różnymi elementami tego teleskopu, co przełożyło się na zdecydowane wydłużenie oczekiwania na teleskop i zwiększenie kosztów.

Jeżeli chodzi o to, co teraz może pójść nie tak, już po starcie, który był krytycznym elementem, to teraz to niezwykle skomplikowane urządzenie musi się bezproblemowo rozłożyć. Aktualnie jesteśmy na etapie rozkładania osłony cieplnej. To jest bardzo skomplikowana struktura – pięć warstw, złożonych ze specjalnego materiału o określonych właściwościach termicznych i mechanicznych, który musiał być niezwykle precyzyjnie złożony, żeby się nie rozedrzeć podczas rozciągania.

Ta osłona ma kształt takiego latawca, który wzdłuż swojej długiej przekątnej ma ponad 20 metrów, co daje wyobrażenie o tym, jak duży jest ten teleskop. Ta osłona jest teraz rozkładana, później będzie napięta, a potem przechodzimy do etapu rozkładania samego zwierciadła, które także musiało być złożone, z racji tego, że teleskop był za duży na jakąkolwiek obecnie używaną rakietę. Na razie ten etap musi pójść bezproblemowo.

Dotarcie na orbitę jest już zagwarantowane, ponieważ krytyczne były te momenty po starcie. Odpalenia silników w określonych momentach skorygowały trajektorię w taki sposób, że właściwie nie musimy się już martwić o dalszy lot. Natomiast jakaś drobna awaria któregoś z bardzo wielu podzespołów tego superskomplikowanego urządzenia może przesądzić o tym, że jakość zdjęć będzie niższa, niż oczekujemy. Albo że trzeba będzie poświęcić kolejny czas na przygotowanie programowego obejścia jakiegoś błędu.

• Pierwsze obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba mają się pojawić w lipcu?

– To będzie tzw. pierwsze światło, czyli pierwsza obserwacja. Może jeszcze nie to, na co każdy z zespołów rezerwujących czas na Webbie czeka, ale taki pierwszy dowód na to, że teleskop działa jak należy.