Kosmiczna Lustrzanka – Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba

W Boże Narodzenie, o 13:20 naszego czasu, z platformy startowej ESA w Gujanie Francuskiej na pokładzie rakiety Ariane 5 wysłano w przestrzeń kosmiczną najbardziej zaawansowany projekt naukowy w historii ludzkości. Wynik ponad 30 lat planowania i projektowania oraz niemal 15 lat konstruowania. Dzieło współpracy trzech agencji kosmicznych: NASA, ESA i CSA.

Większość z Was pewnie już coś o nim słyszała. W tym tekście nie chcę więc pisać o kwestiach oczywistych, lecz trochę o tym, co jest wyjątkowego w teleskopie kosmicznym nazwanym na cześć drugiego administratora NASA.

Chciałbym napisać o dwóch kwestiach dotyczących teleskopu kosmicznego Jamesa Webba (ang. James Webb Space Telescope, w skrócie JWST), które są dla mnie osobiście najciekawsze.

Ale najpierw wyjaśnię pewną istotną kwestię.

To nie jest następca teleskopu Hubble’a

Jedno z najczęściej pojawiających się nieporozumień wokół JWST to informacja, że ma on zastąpić teleskop Hubble’a. Tymczasem teleskop Jamesa Webba powstał w zupełnie innym celu.

Teleskop Hubble’a orbituje wokół Ziemi mniej więcej na wysokości 620 km i działa w spektrum światła widzialnego. Tymczasem teleskop Jamesa Webba docelowo znajdzie się w punkcie libracyjnym L₂ w układzie Słońce-Ziemia i będzie działał głównie w podczerwieni.

Dużo trudnych informacji, prawda? Rozłóżmy je zatem na czynniki pierwsze i wyjaśnijmy dlaczego właśnie tak, a nie inaczej.

Punkt libracyjny L₂

Raczej nie jestem jedyną osobą, która przed zetknięciem się z JWST nie kojarzyła zbytnio tego pojęcia. Coś mi świtało, że w szkole na fizyce (mat-fiz 🙂 ) mogło paść to określenie, ale na tym koniec.

Zatem postaram się w maksymalnie prosty sposób wyjaśnić, czym są punkty libracyjne i dlaczego właśnie punkt libracyjny L₂ stanie się na najbliższe dekady domem dla naszego nowego oka w otchłań kosmosu.

Słońce i Ziemia się przyciągają

Zapewne każdy w szkole spotkał się z pojęciem grawitacji. Nie jest tajemnicą, że Ziemia i Słońce oddziałują na siebie.

Ale oprócz oddziaływania między sobą, te same siły wpływają również na otoczenie. Jeśli jakiś obiekt znajdzie się w przestrzeni wokół Ziemi wystarczająco blisko, może zostać przez nią przyciągnięty. Podobnie jest ze Słońcem. A ponieważ nasza gwiazda jest wielokrotnie większa od Ziemi, jej wpływ sięga o wiele dalej. Tak bardzo, że obiekty znajdujące się wokół Ziemi są również pod wpływem siły grawitacji Słońca.

Jednak wokół naszej planety istnieją punkty, w których obiekt o pomijalnie małej masie (a za taką można uznać masę teleskopu Jamesa Webba) pozostanie w stanie spoczynku (czyli nie będzie się przemieszczał – utrzyma stałe położenie względem układu Ziemia-Słońce). Takie miejsca nazywamy właśnie punktami libracyjnymi lub też punktami Lagrange’a (od nazwiska naukowca, który je wyznaczył).

Oczywiście grawitacja nie jest jedyną siłą oddziałującą w tym układzie. Ziemia krąży wokół Słońca, a więc mamy tu również do czynienia z siłą odśrodkową. Ponadto jest jeszcze siła Coriolisa.

Nie zagłębiajmy się jednak jeszcze bardziej, bo ta analiza jest już wystarczająco skomplikowana. To, co warto wiedzieć, to fakt, że umieszczenie obiektu w jednym z punktów libracyjnych przy odpowiedniej prędkości pozwala na utrzymanie go w tym punkcie w stanie spoczynku.

Dlaczego właśnie punkt L₂?

Punkt libracyjny L₂ znajduje się ok. 1 500 000 km od Ziemi po stronie przeciwległej do Słońca (czyli z punktu widzenia teleskopu Słońce zawsze będzie po drugiej stronie Ziemi). Teleskop Jamesa Webba, pozostając w tym punkcie, utrzyma stałe położenie względem Ziemi, nie musząc jednocześnie orbitować wokół niej (co zmieniałoby termikę na zmianę ogrzewając i schładzając teleskop). Osłona termiczna teleskopu – zawsze skierowana w stronę Słońca – pozwoli utrzymać stałą temperaturę (niską, bliską zera bezwzględnego) i ochroni go przed wpływem promieniowania emitowanego przez naszą dzienną gwiazdę.

Jest to więc idealne miejsce do obserwowania głębokiego kosmosu. I zaglądania w przeszłość. Ale o tym nieco więcej powiem w następnym punkcie, poruszającym drugą cechę teleskopu Jamesa Webba odróżniającą go od teleskopu Hubble’a.

Kosmiczne oko na podczerwień

Jak już wcześniej wspomniałem, teleskop kosmiczny Jamesa Webba obserwuje głównie światło podczerwone. Jeśli więc odnosić go do teleskopu Hubble’a, bardziej niż jego następcą jest dla niego „czwartym czopkiem” w oku.

Ale to też nie oddaje tego, czym jest teleskop Jamesa Webba. Przed JWST stoją zupełnie inne zadania.

Teleskop Jamesa Webba ma przede wszystkim obserwować tzw. głęboki kosmos, m.in. w poszukiwaniu egzoplanet (czyli planet krążących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce). Ale nie tylko…

JWST ma nam pozwolić spojrzeć w przeszłość i ujrzeć daleki kosmos takim, jakim był w początkach istnienia. I przyznam szczerze, że w momencie gdy pierwszy raz usłyszałem wyjaśnienie tego, jakim cudem to ma działać, byłem podjarany jak małe dziecko na widok nowej zabawki.

A więc znowu nieco znośnie podanej teorii.

Czym jest światło

Pewnie nie jest to pytanie, które zadajecie sobie rano do śniadania.

Niektórzy z Was być może pamiętają ze szkoły, że światło jest falą elektromagnetyczną. Potocznie określenia światło używamy w kontekście tej części spektrum fal elektromagnetycznych, które mieszczą się w przedziale od podczerwieni, poprzez światło widzialne, aż do ultrafioletu. Fale elektromagnetyczne mają swoją częstotliwość – podczerwień ma niższą niż kolor czerwony. Dalej jest kolor zielony, niebieski i tak aż do ultrafioletu, który ma najwyższą częstotliwość.

Innymi słowy, gdy ktoś widzi coś czerwonego, to znaczy, że jego czopki w oku zareagowały na bodziec w postaci fali elektromagnetycznej o odpowiedniej częstotliwości. Podobnie jest z kolorami zielonymi, niebieskimi i wszystkimi kolorami pośrednimi powstałymi w wyniku zmieszania barw. Jednak takich fal jest o wiele więcej, lecz nasze oczy po prostu na nie nie reagują, więc są dla nas niewidoczne.

Podczerwień jest wykorzystywana np. w pilotach do urządzeń RTV. Osoby z mojego pokolenia i nieco starsze mogą również kojarzyć przesyłanie plików między telefonami za pomocą poprzednika bluetooth o nazwie IrDA.

Z kolei ultrafiolet jest stosowany m.in. przy wykrywaniu fałszywych banknotów.

W spektrum fal elektromagnetycznych przed podczerwienią są fale radiowe i mikrofale a za ultrafioletem m.in. promieniowanie rentgenowskie i gamma.

Ale to wszystko nas w tym momencie nie interesuje. Dla nas istotne jest światło widzialne i podczerwień.

Nadążacie? To teraz przesiadamy się z karuzeli na rollercoaster.

Wszechświat się rozszerza

Być może o tym też już słyszeliście. Od wielkiego wybuchu kosmos wciąż rośnie i rośnie.

Ale to, co jest jeszcze ciekawsze i rozsadza mózg to fakt, że to rozszerzanie nie oznacza jedynie oddalania się od siebie obiektów. To by było zbyt proste.

Rośnie też sama przestrzeń!

Żeby sobie to dobrze zobrazować, weźcie obrus i złóżcie go na stole w harmonijkę. Następnie w dwóch punktach połóżcie jakieś obiekty i zacznijcie rozciągać ten obrus aż będzie gładki. Obiekty się od siebie oddaliły, a sam obrus „urósł”. W tym przykładzie obrus to wszechświat, a obiekty to ciała niebieskie.

Druga opcja to kartka papieru. Na końcach kartki rysujemy dwie kropki. Następnie składamy kartkę w harmonijkę tak, by obie kropki były widoczne. I znowu rozciągamy kartkę aż będzie całkowicie rozłożona. Kartka to rozciągający się wszechświat, a kropki to dwa obiekty w kosmosie.

Oczywiście obydwa te przykłady są ogromnym i bardzo nieudolnym uproszczeniem.

Przepis na wehikuł czasu

To teraz dodajmy jedno do drugiego.

Wiemy, że światło widzialne jest falą. Wiemy też że przestrzeń kosmiczna się rozciąga.

Jeśli więc fala o konkretnej częstotliwości leci przez setki milionów lat w rozciągającej się przestrzeni kosmicznej, to co się stanie? Światło widzialne przesunie się w spektrum podczerwieni – fala światła rozciąga się wraz z przestrzenią, w której się znajduje.

A zatem jeśli zrobimy „zdjęcie” za pomocą aparatu czułego na podczerwień kierując obiektyw w stronę głębokiego kosmosu, to powinniśmy zarejestrować obraz złożony z punktów naświetlonych podczerwienią, która (przynajmniej częściowo) będzie bardzo starym rozciągniętym światłem widzialnym. Oczywiście jest to maksymalne uproszczenie sytuacji, bo problemów już na starcie nawet mi przychodzi do głowy co najmniej kilka…

Mam nadzieję, że dałem radę wyjaśnić to wystarczająco prosto. Jeśli nie, to przepraszam. Robiłem co mogłem. Mamy tu jednak do czynienia z rocket science, więc mam jakieś alibi 🙂

Znaczenie teleskopu Jamesa Webba

Ktoś mógłby spytać: „Po co nam w ogóle ten teleskop?”.

Dlaczego ludzkość wydaje miliardy dolarów i poświęca dekady na zaprojektowanie takiej maszyny, która przecież nie powstrzyma głodu na świecie, nie spowoduje, że ustaną wojny ani nie naprawi problemów przeciętnego Kowalskiego?

Tematowi korzyści, jakie ludzkości przynoszą programy kosmiczne poświęciłem już kiedyś osobny tekst, dlatego nie będę pisał tego ponownie.

O tym, jak Hubble zmienił świat…

I znowu wrócę tutaj do teleskopu Hubble’a.

Tak się składa, że jest on moim równolatkiem – podobnie jak w moim przypadku, jego żywot rozpoczął się w 1990 roku. Od tego czasu powstało ponad 10 000 prac naukowych z wykorzystaniem danych pozyskanych za jego pomocą, które przyczyniły się do zweryfikowania wielu hipotez naukowych. Obrazy z teleskopu Hubble’a zdefiniowały wyobrażenie o wszechświecie dla kilku pokoleń i oprócz niezaprzeczalnego wpływu na świat nauki stał się również znaczącym czynnikiem kształtującym współczesny świat kultury, przede wszystkim (choć nie tylko) gatunku science fiction.

Jeśli więc teleskop Hubble’a w ciągu nieco ponad 30 lat był (i nadal jest) tak przełomowym narzędziem obserwacji wszechświata, to myślę, że mamy prawo oczekiwać, iż teleskop Jamesa Webba zrobi co najmniej podobne zamieszanie w świecie nauki i kultury. Ludzkość nigdy nie stworzyła bardziej precyzyjnego instrumentu optycznego. Zwierciadło JWST ma prawie trzykrotnie większą średnicę (6,5 m vs 2,4 m) niż to zamontowane w teleskopie Hubble’a.

W oczekiwaniu na rewolucję

Ja osobiście już nie mogę się doczekać, aż otrzymamy pierwsze użyteczne informacje od tego niezwykłego cudu inżynierii. W chwili, gdy piszę te słowa, teleskop jest już w pełni rozłożony i na ten moment nie napotkano żadnych problemów. Do punktu libracyjnego L₂ teleskop będzie leciał jeszcze niecałe dwa tygodnie. Jego podróż można śledzić tutaj.

Jeśli po przeczytaniu tego tekstu czujecie niedosyt, to po pierwsze oznacza, że jesteście naprawdę twardzi. A po drugie, mogę Wam polecić kilka ciekawych filmów do obejrzenia:

Zapis transmisji ze startu teleskopu (mnóstwo ciekawych informacji w studiu przed startem) [EN]

Tomasz Rożek (Nauka. To Lubię) wyjaśnia różnice między teleskopami Hubble’a i Jamesa Webba [PL]

Podsumowanie początku misji teleskopu na kanale Astrofaza [PL]

Podcast StarTalk Neila deGrasse Tysona poświęcony teleskopowi Jamesa Webba [EN]

Film wyjaśniający punkty libracyjne [EN]

W grafice wpisu wykorzystano ilustrację autorstwa Adriany Manrique Gutierrez, NASA Animator oraz logo teleskopu stworzone przez NASA i dostępne w domenie publicznej.

Udostępnij: