Kosmiczny teleskop Jamesa Webba – budowa, misja, odkrycia

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to najpotężniejsze w historii narzędzie do obserwacji w podczerwieni, działające od 2022 roku na orbicie wokół punktu L2, 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Jego główne cele obejmują badanie pierwszych gwiazd po Wielkim Wybuchu, ewolucji galaktyk oraz składu atmosfer egzoplanet. W dalszej części artykułu szczegółowo opisujemy budowę, przebieg misji oraz najważniejsze odkrycia tego niezwykłego instrumentu.

Jak zbudowano Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba?

Cała konstrukcja teleskopu opiera się na dwóch zasadniczych segmentach – platformie satelitarnej oraz systemie optycznym. Elementy te połączono mechanicznie w sierpniu 2019 roku w kalifornijskich pomieszczeniach koncernu Northrop Grumman, co stanowiło kamień milowy przed finalnymi testami.

Platforma satelitarna, ważąca zaledwie 350 kg, utrzymuje ponad 6,5-tonowy teleskop i wykonana jest głównie z kompozytu grafitowego. W niej umieszczono centralny komputer, układy komunikacyjne, żyroskopy oraz systemy napędowe odpowiedzialne za korekty orbity. Co ciekawe, oszczędność paliwa podczas precyzyjnej trajektorii lotu pozwoliła znacząco przedłużyć przewidywany czas działania misji.

Całkowity koszt projektu, uwzględniający pięć lat funkcjonowania na orbicie, wyniósł 8,7 mld USD. Start, początkowo planowany na 2011 rok z budżetem 1,6 mld, wielokrotnie przesuwano. Dopiero 25 grudnia 2021 roku rakieta Ariane 5 ECA wyniosła złożony teleskop z kosmodromu Kourou w Gujanie Francuskiej.

Pięciowarstwowa osłona termiczna

Osłona przeciwsłoneczna o wymiarach 21,197 m × 14,162 m to jeden z najbardziej krytycznych podzespołów. Wykonana przez Northropa Grummana struktura z kaptonu pokrytego aluminium i domieszkowanym krzemem blokuje światło oraz ciepło słoneczne. Każda z pięciu warstw jest chłodniejsza od poprzedniej – pierwsza zatrzymuje aż 90% energii promieniowania.

Dwie największe membrany od strony Słońca mają charakterystyczny purpurowy odcień dzięki powłoce krzemowej, co dodatkowo zapobiega gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych. Dzięki tej barierze instrumenty naukowe mogą pracować w stabilnej temperaturze poniżej 50 K, czyli około -223°C. Bez niej detektory podczerwieni byłyby całkowicie oślepione przez ciepło własne konstrukcji.

Zwierciadło główne i pomocnicze

System optyczny oparto na trójzwierciadlanym anastygmacie Korscha, który eliminuje aberrację sferyczną, komę i astygmatyzm. Zwierciadło główne składa się z 18 sześciokątnych segmentów wykonanych z berylu pokrytego warstwą złota o grubości 100 nm i ochronną krzemionką. Każdy segment ma 1,32 m od krawędzi do krawędzi, a całość formuje sześciokąt o rozpiętości 6,5 m i powierzchni zbierającej 25 m².

Beryl wybrano ze względu na lekkość – samo lustro waży 705 kg, podczas gdy zwierciadło Hubble’a o średnicy 2,4 m ważyło 828 kg – oraz wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej w temperaturach 30–80 K. Za precyzyjne ustawienie każdego panelu odpowiada sześć siłowników o skoku 10 nm, a dodatkowy siódmy siłownik centralny umożliwia regulację krzywizny. Zwierciadło pomocnicze, okrągłe o średnicy 74 cm, podtrzymują trzy podpory z kompozytu grafitowego – tego samego, z którego wykonano resztę struktury nośnej.

Jakie instrumenty naukowe pracują na pokładzie?

Moduł ISIM (Integrated Science Instrument Module) integruje cztery najważniejsze przyrządy badawcze. Całość przymocowano do spodu struktury optycznej, zapewniając zasilanie, chłodzenie i zasoby obliczeniowe.

NIRCam, czyli kamera bliskiej podczerwieni, pracuje w paśmie 0,6–5 μm i wyposażona jest w detektory rtęciowo-kadmowo-tellurowe o rozdzielczości 2048 × 2048 pikseli. Działa w temperaturze 37 K i dzieli obserwacje na pasma krótkie i długie. Pełni podwójną funkcję – rejestruje obrazy i wspomaga proces kalibracji ustawienia segmentów lustra głównego. NIRCam posiada koronograf, co pozwala badać obiekty o jasności do 29 magnitudo przy ekspozycji sięgającej 10 000 sekund.

NIRCam działa w temperaturze 37 K (-236°C) i potrafi rejestrować obiekty oddalone o miliardy lat świetlnych.

Spektrograf NIRSpec posiada detektory 4-megapikselowe i jest w stanie zmierzyć jednocześnie widmo nawet 100 obiektów w polu o rozmiarach 3 × 3 minuty kątowej. W zależności od konfiguracji oferuje niską, średnią lub wysoką rozdzielczość spektralną. Urządzenie schładzane jest pasywnie do około 38 K, co eliminuje szum termiczny zakłócający pomiary.

Najbardziej wymagający termicznie instrument, MIRI (Mid-Infrared Instrument), potrzebuje do działania temperatury zaledwie 7 K. Osiągnięto ją dzięki dwustopniowemu, aktywnemu systemowi chłodzenia i pasywnym radiatorom ADIR wykonanym z aluminium o wysokiej czystości. MIRI rejestruje promieniowanie średniej i długiej podczerwieni w zakresie 5–28 μm, a detektory z krzemu domieszkowanego arsenem mają rozdzielczość 1024 × 1024 piksele.

Czwarty zestaw, FGS/NIRISS, łączy fizycznie sensor naprowadzania (Fine Guidance Sensor) i spektrograf bezszczelinowy. FGS odszukuje wybrane gwiazdy przewodnie, by utrzymać precyzyjną orientację teleskopu. NIRISS tymczasem prowadzi spektroskopię w zakresie 0,7–5,0 μm na detektorze HgCdTe 2048 × 2048 pikseli w czterech niezależnych trybach.

Jak przebiegała misja od startu do pierwszych zdjęć?

Start 25 grudnia 2021 roku zapoczątkował misję, którą śledziły miliony ludzi na całym świecie. Po 27 minutach od uruchomienia silników teleskop oddzielił się od górnego członu rakiety Ariane 5 i rozpoczął samodzielny lot w kierunku punktu libracyjnego L2. Pierwsza, najważniejsza korekcja kursu odbyła się po 12,5 godzinach.

Kolejne dni wypełniła skomplikowana sekwencja rozkładania podzespołów, którą można podzielić na kilka etapów:

• wysunięcie wieżyczki z instrumentami na odległość 1,22 m od osłony,
• rozwinięcie obu wysięgników bocznych osłony,
• napięcie wszystkich pięciu warstw kaptonu,
• wysunięcie trójnogu ze zwierciadłem pomocniczym,
• rozwinięcie dwóch skrzydeł zwierciadła głównego.

W dwunastym dniu misji rozłożono radiator chłodzący MIRI. 24 stycznia 2022 roku wykonano ostatnią korektę kursu i JWST wszedł na orbitę wokół punktu L2, oddalonego od Ziemi o około 1,5 miliona kilometrów. Teleskop krąży po orbicie o perygeum 1 200 000 km i apogeum 1 800 000 km, co zapewnia stabilność termiczną i brak zaćmień.

Trwającą trzy miesiące kalibrację luster podzielono na siedem faz – od identyfikacji obrazów poszczególnych segmentów po wielokrotne fazowanie zgrubne i dokładne. Punktem odniesienia była gwiazda HD 84406 z gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy. W marcu 2022 roku jakość obrazu testowego 2MASS J17554042+6551277 przekroczyła przewidywania modeli matematycznych, a w kwietniu MIRI osiągnął finalną temperaturę roboczą 7 K. Proces zakończył się 28 kwietnia – od tego momentu światło dociera poprawnie do wszystkich czterech instrumentów.

Pierwsze obrazy i ich znaczenie naukowe

11 lipca 2022 roku prezydent Joe Biden zaprezentował publicznie premierowe zdjęcie – Pierwsze Głębokie Pole Webba. Przedstawia ono gromadę galaktyk SMACS 0723 odległą o 4,6 miliarda lat świetlnych. Ekspozycja trwała zaledwie 12,5 godziny, podczas gdy analogiczne ujęcia Hubble’a wymagały wielu tygodni naświetlania.

Na fotografii wyraźnie widoczny jest efekt soczewkowania grawitacyjnego – masywna gromada zakrzywia i powiększa światło galaktyk leżących daleko za nią. Dzięki temu astronomowie mogą dostrzec struktury, których światło podróżowało nawet 13,1 miliarda lat. Techniki soczewkowania i mikrosoczewkowania stały się od tego czasu standardowym narzędziem badawczym w analizie odległego kosmosu.

Drugie zdjęcie ukazało Mgławicę Pierścień Południowy (NGC 3132) oddaloną o 2,6 tysiąca lat świetlnych. Jest to mgławica planetarna, która powstała, gdy gwiazda podobna do Słońca zakończyła życie, odrzucając zewnętrzne warstwy i pozostawiając po sobie białego karła. Obraz ten unaocznia, co czeka naszą gwiazdę za kilka miliardów lat.

Mgławica Carina, a dokładnie obszar gwiazdotwórczy NGC 3324, odsłoniła setki młodych gwiazd ukrytych dotąd w obłokach pyłu. Najjaśniejsza znana mgławica na niebie, położona 7,5 tysiąca lat świetlnych od nas, zawiera m.in. gwiazdę Eta Carinae o masie ponad stu Słońc.

Widmo atmosfery WASP-96 b – gorącego olbrzyma okrążającego swoją gwiazdę co 3,4 dnia – wykazało obecność pary wodnej, sodu, dwutlenku i tlenku węgla. Z kolei Kwintet Stephana, zwarta grupa galaktyk w konstelacji Pegaza oddalona o 290 milionów lat świetlnych, udokumentował, jak wzajemne oddziaływania grawitacyjne pobudzają formowanie gwiazd i deformują galaktyki.

Zdjęcie Webb’s First Deep Field uzyskano po 12,5 godzinach ekspozycji – Hubble potrzebował na analogiczne kadry wielu tygodni naświetlania.

Jakie odkrycia przyniosły obserwacje planety WD 1856 b?

Układ WD 1856, odległy od Ziemi o 80 lat świetlnych, składa się z białego karła WD 1856+534 oraz planety o rozmiarach zbliżonych do Jowisza. Biały karzeł jest wielkości Ziemi, co oznacza, że towarzysząca mu planeta ma aż siedmiokrotnie większą średnicę od swojej gwiazdy. Okrąża ją w zaledwie 34 godziny po orbicie oddalonej o 3 miliony kilometrów – 50 razy bliżej niż Ziemia krąży wokół Słońca.

Białe karły powstają, gdy gwiazda podobna do Słońca przechodzi przez fazę czerwonego olbrzyma, gwałtownie zwiększając swoją objętość i niszcząc planety na ciasnych orbitach. Obecność WD 1856 b tak blisko martwej gwiazdy wydawała się niemożliwa. Dzięki JWST udało się po raz pierwszy ustalić masę planety – wynosi ona od 4 do 11 mas Jowisza – oraz temperaturę sięgającą około 126°C. To znacznie więcej, niż wynikałoby z energii otrzymywanej od białego karła, co wskazuje na oddawanie nagromadzonego w przeszłości ciepła.

Naukowcy rozważali dwa scenariusze: przetrwanie planety wewnątrz rozdętej gwiazdy lub późniejszą migrację grawitacyjną. Analiza widma atmosfery wykazała obecność metanu i małych cząstek chmur, a modele chłodzenia olbrzymich obiektów pozwoliły cofnąć się w czasie. Oszacowano, że planeta przesunęła się w obecne miejsce od 3 do 5,5 miliarda lat po śmierci gwiazdy. Oznacza to, że wcześniej przebywała na bezpiecznej orbicie, a dopiero potem oddziaływanie z silną grawitacją białego karła doprowadziło do jej rozgrzania.

Dla Układu Słonecznego jest to scenariusz odległej przyszłości. Za około 5 miliardów lat Słońce wyczerpie paliwo wodorowe, powiększy się ponad stokrotnie i pochłonie Merkurego oraz Wenus, być może również Ziemię. Następnie odrzuci zewnętrzne warstwy i zakończy życie jako biały karzeł. Los gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz czy Saturn, pozostaje niejasny, a badanie układów takich jak WD 1856 dostarcza bezpośrednich przesłanek.

Za około 5 miliardów lat Słońce powiększy się ponad 100 razy – Merkury, Wenus, a być może także Ziemia zostaną zniszczone.

W jaki sposób JWST zważył odległą czarną dziurę?

W galaktyce MRG-M0138, której światło wyemitowano, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat, astronomowie zmierzyli masę uśpionej czarnej dziury. Wykorzystali w tym celu naturalną soczewkę grawitacyjną – masywną gromadę galaktyk, która powiększyła obraz odległego obiektu około 30 razy. Po raz pierwszy udało się zastosować technikę pomiaru ruchów gwiazd w centrum galaktyki na tak wczesnym etapie historii kosmosu.

Zaawansowana ostrość obrazu JWST w połączeniu z efektem soczewkowania umożliwiła wejrzenie w strefę bezpośredniego oddziaływania grawitacyjnego czarnej dziury. Dotychczas metodę tę stosowano wyłącznie w pobliskim Wszechświecie, do odległości około 700 milionów lat świetlnych. Teraz naukowcy, pod kierownictwem Andrew Newmana z Carnegie Science, wykazali, że najgęstsze galaktyki już miliardy lat temu były miejscami gwałtownego wzrostu supermasywnych czarnych dziur, co rzuca światło na koewolucję galaktyk i ich centralnych obiektów.

Jakie zagrożenia napotyka teleskop i jak im przeciwdziała?

W listopadzie 2022 roku NASA poinformowała, że zwierciadło główne zostało wielokrotnie trafione przez mikrometeoroidy. Jedno ze zdarzeń było bardziej znaczące, niż zakładały modele przedstartowe. Pomimo tych uszkodzeń parametry optyczne wciąż dwukrotnie przewyższały wymagania projektowe.

Aby zminimalizować ryzyko kolejnych kolizji, zespół misji ograniczył obserwacje w kierunkach, gdzie osłona luster musiałaby być zwrócona wprost ku strefom nadlatujących cząstek. Te tzw. strefy unikania mikrometeoroidów wprowadzono w drugim roku funkcjonowania teleskopu, co pozwoliło zachować doskonałą jakość obrazowania przy jednoczesnym wydłużeniu żywotności instrumentu.

Misja, której koszt całkowity wielokrotnie rósł na etapie planowania, dostarcza teraz danych o wartości przekraczającej pierwotne oczekiwania. Inżynierowie podkreślają, że precyzja trajektorii startowej Ariane 5 i oszczędność paliwa mogą pozwolić na działanie teleskopu znacznie dłużej niż zakładane pierwotnie pięć lat.

Analiza atmosfery K2-18b, przeprowadzona przy pomocy MIRI w 2025 roku, wykazała obecność siarczku dimetylu i disiarczku dimetylu – związków uznawanych za biomarkery procesów życiowych. Na Ziemi wytwarzają je prymitywne organizmy, takie jak fitoplankton morski. To pierwszy tak silny sygnał, który może wskazywać na aktywność biologiczną poza Układem Słonecznym.