James Webb-ruimtetelescoop: Geparkeerd een miljoen mijl van huis

Webbs eerste gepubliceerde afbeelding bevat duizenden sterrenstelsels in een klein frame. Een deel van dat licht verliet zijn bron ongeveer 13 miljard jaar geleden. Deze enkele afbeelding vat samen waarom de James Webb-ruimtetelescoop bestaat.

Webb is de grootste telescoop die ooit in de ruimte is geplaatst, uitgerust met instrumenten die gevoelig en scherp genoeg zijn om objecten op te sporen die te oud, te ver weg of te zwak zijn voor de Hubble-ruimtetelescoop. Om daar te komen was een ruimtevaartuig nodig dat zich tijdens de vlucht uitvouwt, een zonwering ter grootte van een tennisbaan en een baan die speciaal is gekozen zodat niets warms ooit het uitzicht belemmert.

Wat volgt is minder een rondleiding langs mooie afbeeldingen dan een blik op de technische keuzes erachter: waar Webb zich bevindt, hoe koud het moet zijn, wat bijna fout ging met de spiegel en wat het tot nu toe heeft gevonden.

De afbeelding die Webb aan het publiek introduceerde, heet Webbs First Deep Field, en zit vol meer dan het lijkt. Onder de duizenden sterrenstelsels in dit kleine stukje lucht worden er naar schatting enkele ongeveer 13 miljard jaar oud, wat betekent dat hun licht vlak na het begin van het universum zelf vertrok.

Deze dichtheid is het punt van een diep veld: in plaats van naar één doel te richten, staart de telescoop lang genoeg naar een schijnbaar lege plek zodat zwak, ver weg licht zich ophoopt. Het is een vreemde vorm van registratie: niet de grootste of helderste afbeelding, maar een blik terug over het grootste deel van de kosmische geschiedenis in één enkele opname.

Anders dan Hubble, dat de Aarde op een paar honderd kilometer hoogte omcirkelt, cirkelt Webb helemaal niet om onze planeet. Het omcirkelt de Zon en handhaaft positie dicht bij een punt van zwaartekrachtevenwicht genaamd het tweede Lagrange-punt, of L2, ongeveer 1,5 miljoen kilometer, ongeveer een miljoen mijl, van de Aarde.

Deze afstand is niet willekeurig. Het naburige Lagrange-punt L1 ligt op dezelfde afstand van 1,5 miljoen kilometer aan de dichterbij zijde, naar de Zon toe, en het is al een drukke buurt: zonnewaarnemingen inclusief DSCOVR, WIND, SOHO en ACE houden allemaal toezicht van daar. Webb had in plaats daarvan de andere kant nodig, waar Aarde, Maan en Zon gemakkelijk uit het zicht blijven.

Deze plaatsing betaalt zich voortdurend uit. Hubble glijdt elke 90 minuten in en uit Aardes schaduw, wat zijn uitzicht volgens een strak schema onderbreekt. Webbs verre positie geeft het een ononderbroken gezichtslijn, dus het kan wetenschappelijke operaties continu uitvoeren, dag en nacht, zonder schaduw om uit te wijken.

Naar L2 gaan was niet onmiddellijk. De reis duurde ongeveer 30 dagen van lancering tot het begin van Webbs operationele baan, maar de telescoop legde de afstand van de maanbaan, ongeveer een kwart van die reis, in slechts 3 dagen af. De rest van de reis was een lange, langzame drift tegen de zwaartekracht in.

Deze drift bleek goedkoper uit te vallen dan gepland. Webbs Ariane 5-raket plaatste het op zo'n nauwkeurige baan dat de telescoop slechts een kleine hoeveelheid van zijn brandstof aan boord hoefde te verbranden om koers naar L2 te corrigeren. Bespaard brandstof vertaalt zich rechtstreeks in missietijd, en ingenieurs verwachten nu dat Webb goed voorbij de oorspronkelijk geplande levensduur van 10 jaar blijft werken.

Zwak infrarood licht van de vroegste sterrenstelsels is gemakkelijk overstemd, en de grootste interferentiebron zou de telescoop zelf zijn. Een zonwering die uit vijf aparte lagen bestaat, lost dit op door Webbs instrumenten afgekoeld te houden tot min 388 graden Fahrenheit, koud genoeg dat de eigen warmte van het observatorium het signaal dat het probeert op te pikken nooit overweldigt.

Eén instrument moet nog kouder draaien dan dat. MIRI, Webbs middel-infrarodinstrument, draait bij slechts 7 kelvin, een paar stappen boven de laagst bereikbare temperatuur, zodat het de langere, zwakkere infraroodgolflengten kan registreren die de andere detectors van de telescoop niet kunnen bereiken.

Webb werd met kerstmis gelanceerd aan boord van die Ariane 5-raket, maar het bereiken van de baan was maar half het werk. Ingeklapt om in de raketkap te passen, bracht de miljard dollar telescoop zijn maandlange reis door zichzelf uit te vouwen, spiegels en ondersteuningsstructuren opnieuw configurerend in de vorm die ze voor de rest van de missie zouden behouden. Elk van deze stappen moest slagen zonder astronauten in de buurt om een fout op te lossen.

Die prijs en die afhankelijkheid van foutloze robotische implementatie verklaart waarom ingenieurs de vroege weken van de missie beschrijven als sommige van de meest gespannen in de recente geschiedenis van NASA. Eén vastgelopen scharnier of mislukt slot had de missie kunnen beëindigen voordat het één afbeelding produceerde.

Het correct uitvouwen was slechts stap één; de spiegelsegmenten moesten zich vervolgens met voldoende nauwkeurigheid met elkaar uitlijnen om als één oppervlak te functioneren. In het begin deden ze dat niet: de 18 individuele segmenten produceerden elk hun eigen wazig beeld van dezelfde doelster, in plaats van één scherp lichtpunt.

Dit opslaan vereiste een techniek genaamd dispersed fringe sensing, die beelden van 20 verschillende paren spiegelsegmenten vergeleek om het meeste van de verkeerde uitlijning in een stap genaamd Grof Faseren te corrigeren. De spiegel stopte ook niet met klappen krijgen daarna. In mei 2022 raakte een stofkorreltje grote micrometeorit één van Webbs spiegelsegmenten, gecatalogiseerd als C3, in een impact tussen 23 en 25 mei die de vijfde en grootste slag van dit type sinds lancering bleek te zijn. Ingenieurs moesten compenseren met behulp van een van de ingebouwde actuatoren van de spiegel, een reparatie gerapporteerd in juni.

De naam van de telescoop voorafgaat zijn hardware met tientallen jaren. Het eert James E. Webb, die van 1961 tot 1968 als beheerder van NASA diende, een periode die de programma's Mercury, Gemini en Apollo en de voorbereiding op maanlandingen omvatte. Webb leidde het agentschap tijdens zijn beroemdste periode, maar stierf lang voordat enige hardware met zijn naam de grond verliet.

Het diepe veld was slechts een openingsnummer. In mei 2024 identificeerde Webb de verst verwijderde bekende melkweg ooit: JADES-GS-z14-0, waarvan het licht slechts 290 miljoen jaar na de oerknal vertrok, wat het bij roodverschuiving 14,32 plaatste. Het is een momentopname van het universum in zijn vroege jeugd, lang voordat de meeste sterrenstelsels tijd hadden om te vormen.

Rond dezelfde tijd rapporteerden onderzoekers die Webb-gegevens gebruikten bewijs van een actief groeiend zwart gat in een melkweg genaamd GHZ2, waargenomen bij roodverschuiving 12,34 toen het universum nog geen 400 miljoen jaar oud was, het verst verwijderde zwarte gat tot nu toe gevonden. Een zo volwassen zwart gat zo vroeg vinden betwist aannames over hoe snel deze objecten kunnen groeien.

Verre sterrenstelsels spotten is één ding; de chemische vingerafdruk van hun licht lezen is een ander, en dat is de taak van NIRSpec, Webbs nabij-infrarood spectrograaf. Het kan tegelijk spectra van tot 200 afzonderlijke objecten vastleggen, allemaal binnen een stukje lucht dat slechts 3,4 op 3,6 boogminuten meet.

Deze multiplexing is wat Webb in staat stelt efficiënt grote catalogi van sterrenstelsels uit het vroege universum te bouwen in plaats van één doel tegelijk. Gecombineerd met de diepe beeldmogelijkheid die Webbs First Deep Field produceerde, verandert het een enkele telescoopwijs in een dataset die astronomen jaren kan bezighouden.

• Orbit - NASA Science
• Relief as NASA's most powerful space telescope finishes risky unfolding | National Geographic
• ESA Science & Technology: NIRSpec, the Near-Infrared Spectrograph on JWST
• Wikipedia: James Webb Space Telescope
• Wikipedia: Mid-Infrared Instrument
• [Wikipedia: Webb's First Deep Field](https://en.wikipedia.org/wiki/Webb%27s_First_Deep Field)