Hamarosan indul a legek űrtávcsöve!

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Ha minden a tervek szerint alakul, a csillagászok régóta várt új, nagy űrobszervatóriuma, a James Webb-űrtávcső december 22-én áll majd pályára egy Ariane–5 hordozórakétával, Francia Guyanából. Mit érdemes tudni erről a hatalmas tudományos vállalkozásról, és milyen felfedezéseket remélhetünk tőle?

A James Webb-űrtávcső (James Webb Space Telescope, JWST) az amerikai NASA vezetésével, az európai ESA és a kanadai CSA űrügynökségek részvételével megvalósuló közös projekt. Szokás a nevezetes és nagy sikerű Hubble-űrtávcső utódának nevezni, ami – mint majd látni fogjuk – nem minden tekintetben helytálló összehasonlítás. Története mindenesetre úgy indult, hogy egy olyan nagy űrobszervatóriumot szerettek volna létrehozni, amely biztosítja az űrcsillagászat további lendületes fejlődését a Hubble elöregedése és kiesése után is. (Itt érdemes megjegyezni, hogy a Hubble-űrtávcső jelenleg is hűségesen rója köreit a Föld körüli pályán és szolgálja a csillagászokat, bár tény, hogy műszaki okokból most már előbb-utóbb befejeződhet aktív pályafutása.)

A James Webb-űrtávcső fantáziaképe, a háttérben néhány lehetséges égi célpontjával. (Kép: ESA)

Ma már történelem…
A JWST megépítésének kezdetei immár negyed évszázadra (!), egészen 1996-ig nyúlnak vissza. Akkor még más néven (New Generation Space Telescope, NGST, vagyis új generációs űrtávcső) futott a projekt, és egy 8 m-es átmérőjű távcsövet tervezetek elhelyezni az űreszköz fedélzetén. A távcsőtükör átmérője időközben „összezsugorodott”, de még így is hatalmas, 6 és fél méteres lett. James Webb (1906–1992) nevét 2002 óta viseli a készülő űrteleszkóp. A névadó volt 1961 és 1968 között a NASA történetének második vezetője, akinek meghatározó szerepe volt az Apollo-holdprogramban, és abban, hogy az amerikai űrhivatal fontos alaptevékenységévé tette a tudományos kutatást. (Szomorú csavar a névadással kapcsolatban, hogy az utóbbi időben felerősödtek a hangok, amelyek szerint nem volt szerencsés Webb nevét adni az űrtávcsőnek. A tiltakozók azt róják fel, hogy Webb vezetése alatt, az 1960-as években a NASA egyes munkatársait diszkrimináció érte. Az űrhivatal mindenesetre nem kíván változtatni a JWST nevén.)

Érdekesen alakult a projekt költségvetése. Az induláskor, az 1990-es évek közepén népszerű hármas jelszó volt a NASA-nál a „gyorsan, jobban és olcsóbban”. Ennek jegyében kezdetben egy kb. félmilliárd dolláros költségű programot álmodtak meg, de az ár hamar megkétszereződött. Ahogy a fejlesztés haladt előre, úgy kúsztak felfelé a költségek és tolódtak ki a határidők. Tehát végül sem a gyorsaság, sem az olcsóság nem jött össze, a jó minőségben azonban még okkal bízhatunk… Túlfeszítené e rövid bemutató írás kereteit, ha részletesen felidéznénk a tervezett indítási időpontok és bekerülési költségek történetét. Legyen elég annyi, hogy eredetileg 2007-es startban reménykedtek – ebből lett 2021 –, és a képzeletbeli árcédulán mára borsos összeg, 10 milliárd dollár szerepel (ebben még nincsenek benne az üzemeltetés majdani költségei). Ahogy az idő haladt előre, a 2000-es évek elején volt olyan szakasza a fejlesztésnek, amikor a felbocsátás kijelölt dátuma nagyobb ütemben távolodott, mint ahogyan az évek teltek a naptárban! Abban az időszakban több alkalommal komolyan elgondolkodtak rajta, hogy az elszálló költségek és a technikai problémák miatt inkább félbeszakítják a projektet. Nem így történt, aminek a csillagászok többsége nagyon örül. (Mások kevésbé, hiszen a tudományos célra fordítható költségvetés korlátozott, így a szükséges összegeket más helyről kellett átcsoportosítani, végső soron lehetetlenné téve egyes más amerikai űrcsillagászati küldetések megvalósítását)

Mi a célja az űrtávcsőnek?
Ahogy a Hubble esetében is igaz volt, a James Webb-űrtávcső a csillagászat szinte minden területén korszakalkotó felfedezéseket ígér. Ráadásul bármit is gondolunk és remélünk most a majdani tudományos eredményeiről, a valóság annál garantáltan sokkal változatosabb és váratlanabb felfedezésekkel fog szolgálni. Ez a csillagászati kutatások egyik meghatározó jellegzetessége, amikor egy minden addigit meghaladó képességű mérőeszköz kerül a tudósok kezébe. A NASA valaha épített legnagyobb és legérzékenyebb űrtávcsövével, amely elsősorban az elektromágneses sugárzás infravörös tartományát fogja át, kozmikus eredetünk nagy kérdéseire keresik a választ a kutatók. Egyrészt az Univerzum történetének régmúltjába szeretnének bepillantani. Hogyan alakultak ki az első csillagok és galaxisok 13,5 milliárd, vagy még több évvel ezelőtt, alig pár százmillió évvel az ősrobbanást követően? Másrészt közelebbi kozmikus környezetünkben vizsgálnák a csillagok és bolygórendszerek kialakulást, valamint légkörük összetételének megállapítása révén megpróbálnak többet megtudni az élet hordozására alkalmas exobolygókról, vagyis a Naptól távoli csillagok körül keringő planétákról. Végül, de nem utolsósorban saját Naprendszerünk kutatásában is fontos szerepet szánnak az új, a Hubble-nél százszor érzékenyebb űrtávcsőnek. Ezeknek a tudományos céloknak az elérése érdekében valóban érdemes – sőt szükséges – a világűrbe telepíteni a megfigyelőeszközünket. Látni fogjuk, hogy a JWST felépítését, műszerezettségét, sőt űrbeli állomáshelyét is mind ezeknek a szempontoknak rendelték alá.

A Hubble legismertebb képei közé tartoznak azok a mélyég-felvételek, amelyeken a hosszú expozíciós időnek köszönhetően számtalan igen távoli galaxis jelenik meg. A JWST érzékeny infravörös detektoraival még messzebbre tekinthetünk térben és időben, és még több részletet tudhatunk meg a galaxisok, csillagok, fekete lyukak keletkezéséről. Az ábra a táguló Univerzum történetét és a galaxisok fejlődését szemlélteti az ősrobbanástól napjainkig. (Kép: ESA)

A JWST felépítése és műszerei
Az űrtávcső főtükre 18 hatszögletű szegmensből áll, kinyitott állapotában 6,5 m átmérőjű paraboloid mozaiktükör. A berilliumból készített, vékonyan aranyozott szegmensek egyenként 20 kg tömegűek és 1,32 m átmérőjűek. Maga a teljes űrtávcső starttömege a feltöltött üzemanyag-tartályokkal és a rakétához csatlakozó adapterrel együtt nem kevesebb mint 6,2 tonna.

A JWST 18 szegmensből álló főtükre kinyitott állapotban, tesztelés közben. (Kép: NASA / C. Gunn)

A távcső négy tudományos műszeregyüttese osztozik majd a főtükör által begyűjtött fényen. A NIRCam (Near-InfraRed Camera) a vörös és közeli infravörös tartományban (0,6–5 μm közötti hullámhosszakon) több színszűrővel rendelkezik, így a megfigyelt csillagokról, galaxisokról és más égi objektumokról színes képeket tudnak majd vele készíteni. A műszert az Arizonai Egyetem (USA) vezetésével építették, és elhelyeztek benne egy koronagráfot is, amellyel igény esetén ki lehet takarni mondjuk egy központi fényes csillagot, hogy a körülötte keringő halvány bolygókról is képet lehessen alkotni.

A NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) ugyancsak a közeli infravörösben működik majd, az égitestek színképét tudja felvenni. A színképek alapján a csillagok fizikai tulajdonságait – például összetételüket, felszíni hőmérsékletüket, sűrűségüket – lehet meghatározni, a vonalak eltolódása utal a látóirányú sebességükre. A galaxisok esetében a színképvonalaknak a Világegyetem általános tágulása miatti vöröseltolódása árulkodik arról, hogy mekkora távolságban találhatóak tőlünk. A NIRSpec spektrográf egy 3,6 × 3,4 ívperc méretű látómezőben egy időben akár 200 célpont színképét is rögzíteni tudja, elsőként az űrtávcsövek között. Ezzel a szűkös megfigyelési időt nagyon jól ki tudja használni. A műszer az Európai Űrügynökség (ESA) egyik hozzájárulása a JWST-hez.

A MIRI (Mid-InfraRed Instrument) nevű berendezés hosszabb hullámhosszakon (5–28 μm), az ún. közepes infravörös tartományban lesz érzékeny. Ez azt is jelenti, hogy a detektor hőmérsékletét még bő 30 fokkal alacsonyabban kell tartani, mint a többi műszeréét. Ez –266 °C-ot (az abszolút nulla fok fölött mindössze 7 K-t) jelent. A MIRI képeket és színképeket is készít, sőt koronagráffal is felszerelték. A rendkívül sokoldalú, a Naprendszer halvány üstököseitől kezdve a legtávolabbi galaxisokig szinte minden szóba jöhető célpont megfigyelésére szánt műszeregyüttes európai–amerikai együttműködésben készült.

A negyedik fő tudományos berendezés a kanadai vezetéssel épített NIRISS (Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), amely ismét csak a közeli infravörösben (1–2,5 μm) érzékeny, egy képalkotó és rés nélküli spektrográf.

Az elektromágneses színkép egy részlete a rövidebb ultraibolyától (balra) a hosszabb infravörös hullámhosszakig (jobbra), közöttük a látható fény keskeny tartományával. A JWST műszerei elsősorban az infravörös tartományban, 0,6 és 28 mikrométeres hullámhosszak között lesznek érzékenyek. Összehasonlításképp feltüntették a Hubble, valamint a néhai európai Herschel-űrtávcső megfigyelési hullámhossztartományait is. (Kép: ESA)

Mikor indul, hova tart?
A JWST egy nagy teljesítményű európai Ariane–5 rakétával indul a Kourou űrközpontból, Francia Guyanából, az Atlanti-óceán partjának közeléből. Nem Föld körüli pályán működik majd, mint a Hubble, hanem a Nap és a Föld alkotta rendszer egyik Lagrange-pontjának, az L2 jelűnek a környezetében. Ez a Földtől mintegy másfél millió kilométer távolságban, a Nap irányához képest még távolabb található régió amiatt különleges, hogy az itt elhelyezett űreszközök a Földdel együtt, azzal egyfajta „kötelékben repülve” ugyanúgy 1 év alatt kerülik meg a Napot. Eközben megoldható, hogy JWST távcsövét ne zavarja sem a Nap, sem a Föld fénye. Miközben az űrtávcső kifelé néz a Naprendszerből, addig a beszűrődő fénytől és a felmelegedéstől egy öt rétegből álló, hatalmas (egy teniszpályáéval vetekedő méretű) árnyékoló ernyő védi a hátsó, vagyis a Nap és a Föld felőli oldalán.

Fantáziaképen az „összecsomagolt” JWST, amint a világűrt elérve leválik róla az Ariane–5 rakétának a légköri emelkedés ideje alatt a hasznos terhet védő orrburkolata. (Kép: ESA / D. Ducros)

A másfél millió km-es utat a startot követő egy hónap alatt teszi majd meg a JWST. Menet közben már kinyitják a rakéta orrkúpja alatt még gondosan összehajtogatva elhelyezett árnyékoló ernyőt, a főtükröt, a melléktükör tartószerkezetét, bekapcsolják a tudományos műszereket és megkezdik tesztelésüket. Ezen lépések sikere mind-mind kritikus az űrteleszkóp későbbi működése szempontjából. A Hubble-t még lehetséges volt űrrepülőgéppel megközelíteni és űrhajósokkal helyszíni javításokat végezni – ennek is köszönhető, hogy az 1990-ben felbocsátott műszeregyüttes a mai napig üzemképes –, de a JWST nagy távolsága az L2 pont környezetében ezt lehetetlenné teszi.

A Hubble-űrtávcső (HST, balra) és a JWST méreteinek összehasonlítása. A méreteken túl más fontos különbségek is vannak a két űrcsillagászati eszköz között, például az általuk vizsgált hullámhossztartomány és az, hogy a JWST nem Föld körüli pályára kerül, így nem lesz javítható és várhatóan rövidebb ideig is marad működőképes. (Kép: ESA / M. Kornmesser)

Az első megfigyelések
Bár az izgalommal várt legelső képek és mérési adatok már korábban is megérkeznek, a rendszeres, jó minőségű felvételek készítése és a tudományos program a felbocsátást követően mintegy fél évvel kezdődhet meg. A JWST értékes mérési idejének felhasználására a világ csillagászai pályázatok útján szerezhetnek majd jogosultságot. Jó hír, hogy az ESA tagországaiban – így Magyarországon – dolgozó kutatók a rendelkezésre álló összes távcsőidő legalább 15%-át kaphatják meg, az ESA-nak a projekthez adott hozzájárulásáért cserébe. Még jobb hír, hogy az első, még jóval a felbocsátás előtt meghirdetett és elbírált pályázati fordulóban máris voltak olyan elfogadott kutatási programok, amelyek magyar vezetéssel vagy részvétellel zajlanak majd, miután a távcső végzett a kezdeti legfontosabb, garantált hozzáféréssel rendelkező programjaival. Pedig el lehet képzelni, hogy mekkora az érdeklődés az új űrtávcső kínálta lehetőségek iránt! Magyarországi témavezetője van az EX Lupi nevű fiatal csillag kitöréseinek a csillag körüli korongra kifejtett hatását vizsgálni tervezett projektnek (Ábrahám Péter, ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont, Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet), és magyar társtémavezetővel fogadták el a szupernóváknak a csillagközi por képződésében játszott szerepére koncentráló megfigyelési programot (Szalai Tamás, Szegedi Tudományegyetem). De hazai csillagász részvételével kutatják majd például a legtávolabbi aktív galaxismagok szerepét saját galaxisuk fejlődésének szabályozásában (Gabányi Krisztina, Eötvös Loránd Tudományegyetem). Egy sor további, a világ más-más szegleteiben dolgozó magyar csillagász is részt vett nyertes megfigyelési programok megtervezésében.

Először azért kell majd izgulnunk, hogy a felbocsátással, majd az igen összetett és kényes fedélzeti rendszerek beüzemelésével minden rendben haladjon. Aztán jöhetnek a várva várt csillagászati felfedezések – a remények szerint legalább öt évig, de akár egy évtizeden át is, ameddig csak a James Webb-űrtávcső működőképes maradhat.

Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

Ajánlott információforrások:
A JWST nagyközönségnek szánt honlapja
https://webbtelescope.org/

A JWST oldala (NASA Goddard Space Flight Center)
https://jwst.nasa.gov/

A JWST oldala (Space Telescope Science Institute)
https://www.stsci.edu/jwst/

A JWST oldala (ESA)
https://sci.esa.int/web/jwst/

Webb: távolabbra nézni (BR-348 – az ESA kiadványa az űrtávcső bemutatására, angol, német, francia, spanyol, olasz és holland nyelven) https://www.esa.int/About_Us/ESA_Publications/ESA_BR-348_Webb_Seeing_farther

Webbre fel! Magyar kutatók is észlelhetnek majd minden idők legdrágább űrteleszkópjával (csillagszat.hu, 2021. június)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/webbre-fel-magyar-kutatok-is-eszlelhetnek-majd-az-uj-urteleszkoppal/

És egy pompás nóta, izgalmas képekkel a távcsőről:
https://www.youtube.com/watch?v=CqhiluOpfog