V najbližších mesiacoch čaká moderný teleskop dôkladná kalibrácia a ladenie, aby priniesol precízne zábery.
Umelecká predstava o vesmírnom ďalekohľade Jamesa Webba. Zdroj: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
Svetlu zo Slnka trvá viac ako osem minút, kým doputuje k Zemi. Inými slovami, našu hviezdu vidíme v „neaktuálnom“ stave, v akom bola pred tými ôsmimi minútami. V bežnom živote túto skutočnosť vôbec nevnímame. Keď stlačíme spínač, svetlo v izbe sa hneď rozsvieti alebo zhasne. Keby nejakou náhodou Slnko zmizlo, zistíme to až po ôsmich minútach.
Keď sa pozrieme na nočnú oblohu, najbližšiu hviezdu k Zemi, Proximu Centauri, vidíme takú, aká bola pred vyše štyrmi rokmi. Galaxia Andromeda sa zas javí tak, ako vyzerala pred 2,5 milióna rokov. Najvzdialenejším telesom, ktoré sme takto pozorovali, je galaxia GN-z11. Jej svetlo k nám letelo 13,4 miliardy rokov. Vidíme ju teda v podobe, v akej jestvovala zhruba 400 miliónov po Veľkom tresku. Chceme však vidieť ešte ďalej, hlbšie do minulosti, keď prvé hviezdy a galaxie len vznikali.
Legendárny Hubblov vesmírny ďalekohľad, hoci priniesol revolučné zistenia, na toto už nestačí. Umožniť to má nový vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST), ktorý po dlhých rokoch vývoja úspešne vyletel do vesmíru počas Vianoc v minulom roku.
Pozrite si
Špecifické umiestnenie
Dvadsaťpäť rokov. Zhruba toľko ubehlo od začiatku projektu, ktorého výsledkom mal byť nový moderný teleskop, až po jeho štart do vesmíru.
Za ten čas sa projekt stretol s obrovskými prekážkami. Neustále navyšovanie rozpočtu, ktorý sa vyšplhal z pôvodnej sumy 1,6 miliardy amerických dolárov až na 9,7 miliardy a pre ktorý hrozilo aj jeho zrušenie. Množstvo technických úskalí a neustále kontroly, pre ktoré došlo k mnohým prieťahom. Hoci ďalekohľad postavili v roku 2016, nasledovalo rozsiahle testovanie, v rámci ktorého sa objavili ďalšie problémy. A v neposlednom rade sa pridala aj pandémia.
Dnes už teleskop, ktorý nesie meno po bývalom riaditeľovi amerického Národného úradu pre letectvo a vesmír, letí na miesto, odkiaľ bude vykonávať pozorovania – Lagrangov (libračný) bod L2. Ide o jeden z piatich špecifických bodov v sústave dvoch telies, v ktorých sa gravitačná sila dvoch veľkých telies rovná odstredivej sile potrebnej na to, aby sa s nimi mohol menší objekt hýbať. Pre ďalekohľad to znamená, že umiestnenie v bode výrazne zníži množstvo potrebného paliva na to, aby ostal na mieste.
Ak spojíte Slnko a Zem pomyselnou priamkou, bod L2 sa nachádza približne 1,5 milióna kilometrov za našou planétou. JWST však nebude nehybný, bod bude obiehať. Vďaka tomu môže taktiež ľahko komunikovať so Zemou či odtieniť svetlo aj teplo od našej planéty, Mesiaca i Slnka, čo zas umožní presne také pozorovania, aké astronómovia chcú.
Ilustračná schéma jednotlivých libračných bodov v sústave Slnka a Zeme. Webb bude obiehať okolo bodu L2. Zdroj: NASA
Servisná misia tak ďaleko?
S umiestnením však prichádza jeden závažný problém – nebude ho už možné opraviť.
„V súčasnosti nemá žiadna vesmírna agentúra technické prostriedky, ktoré by umožnili servisné misie JWST, ako to bolo v prípade Hubblovho teleskopu. Zatiaľ čo ten lieta vo výške iba okolo 550 kilometrov nad zemským povrchom a dosiahli k nemu raketoplány, JWST bude až 1,5 milióna kilometrov od Zeme. Tak ďaleko žiadna pilotovaná misia ešte nebola a počas jeho plánovanej životnosti asi 10 rokov s najväčšou pravdepodobnosťou ani nebude,“ vysvetľuje pre web Veda na dosah vesmírny konštruktér Ján Baláž z Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach.
Na porovnanie možno uviesť, že doteraz bola najďalej posádka misie Apollo 13, ktorá sa pri obehu Mesiaca dostala do vzdialenosti vyše štyristotisíc kilometrov od Zeme. O prípadnej servisnej misii v NASA uvažovali, ale žiaden plán v súčasnosti nie je.
„Pripúšťam však, že pre niektorých vizionárov by aj takáto misia mohla byť výzvou. Bolo by to podstatne menej náročné ako pilotovaný let na Mars, o ktorom uvažujú. Takže to vnímam v rovine nikdy nehovor nikdy,“ dopĺňa Ján Baláž.
Ďalekohľad počas testovania roztiahnutia štítu. Zdroj: NASA/Chris Gunn
Ako zabezpečiť maximálnu spoľahlivosť
Keďže s prípadnými opravami sa zatiaľ neráta, všetko úsilie sa koncentrovalo na ultra vysokú spoľahlivosť.
„Primárnym cieľom pri každej vesmírnej technike je zabezpečiť jej maximálnu spoľahlivosť už vo fáze dizajnu. Pritom sa do úvahy berú tie najnepriaznivejšie očakávané okolnosti, prípadne aj s určitou rezervou navyše. Samozrejmosťou je použitie komponentov najvyššej kvalifikácie pre prácu vo vesmíre,“ hovorí vesmírny konštruktér.
Platí, že viaceré kľúčové systémy misie sú spravidla rôzne zálohované, často aj viacnásobne. Na Zemi prebiehalo aj rozsiahle testovanie za podmienok, ktoré sa čo najviac približovali tomu, čo inžinieri očakávali po vypustení do vesmíru. Okrem toho v NASA vypracovali pre všetky možné zlyhania krízové scenáre, ktoré výskumníci preverili a precvičovali.
„Aj preto trvala príprava JWST tak dlho, ultra vysoká spoľahlivosť sa nedá jednoducho zabezpečiť, ale ju treba doslova vyrobiť, čo si vyžaduje dlhodobé úsilie množstva ľudí a náročné technické vybavenie,“ ozrejmuje Ján Baláž.
Jedným z kľúčových prvkov ďalekohľadu je obrovský viacvrstvový tepelný a svetelný štít. Pozostáva z piatich fólií, tenkých ako ľudský vlas, pričom každá je veľká zhruba ako tenisový kurt. Ich úlohou je zabezpečiť odtienenie citlivých prístrojov JWST.
V tomto smere patrí medzi najodolnejšie materiály kaptón (typ plastu, zvaný polyimid). Bez pokovania je to jantárovožltá priezračná fólia, ktorá sa bežne používa aj v podobe plošných spojov, páskových vodičov či plošných elektricky vykurovaných teliesok. Takáto vrstva musí mať veľkú životnosť, pretože bude čeliť slnečnému vetru, teda prúdu nabitých častíc. Taktiež musí zabezpečiť odraz žiarenia, a preto sú tieto fólie zrkadlovo pokované.
Päťvrstvový štít, ktorý má chrániť ďalekohľad pred teplom a svetlom. Zdroj: NASA/Chris Gunn
Tienenie, tienenie, tienenie
Práve odtienenie svetla a teploty je kľúčové, aby sa zabezpečila nízka prevádzková teplota Webba. Pohybuje sa pod päťdesiat Kelvinov (mínus 220 stupňov Celzia). Vyžadujú ju prístroje ďalekohľadu, aby mohli zachytiť slabé infračervené žiarenie.
„Žiarenie najvzdialenejších zdrojov − prvých galaxií a hviezd − je kvôli kozmologickému rozpínaniu vesmíru už posunuté do infračerveného spektra. Infračervené žiarenie tiež menej absorbujú a rozptyľujú plynové a prachové častice v našej galaxii aj v medzigalaktickom priestore,“ vysvetľuje konštruktér.
Dosiahnuť takúto citlivosť sa dá len vďaka veľmi nízkej teplote. Aj tepelné žiarenie zrkadiel degraduje schopnosť odlíšiť slabé zdroje. Platí totiž, že čím je teplota detektorov nižšia, tým sú citlivejšie na žiarenie väčších vlnových dĺžok. A zároveň sa tak znižuje aj vlastný šum prístrojov. Výsledkom sú teda kvalitnejšie snímky.
Keďže sa Hubble nachádzal približne 540 kilometrov nad Zemou, jeho prístroje ovplyvňovalo teplo a svetlo, ktoré vyžarovali Zem, Mesiac i Slnko. Aj preto nebol schopný dovidieť tak ďaleko, ako to dokáže Webb. Navyše jeho primárne zrkadlo má takmer šesťkrát väčšiu plochu než zrkadlo na Hubblovi, a tak zachytí a do senzorov skoncentruje oveľa viac fotónov. Okrem toho zlato na Webbovom zrkadle umožňuje vynikajúcu odrazivosť infračerveného žiarenia, pričom zároveň aj čiastočne potláča najmä modrú časť viditeľného spektra. Toto všetko nahráva výskumu v potrebnej oblasti.
„Odhaduje sa, že z hľadiska získaných poznatkov by mal byť JSWT možno až stokrát výkonnejší,“ podotýka pre web Veda na dosah astronóm Ján Svoreň z Astronomického ústavu SAV.
Zrod prvých hviezd a galaxií
Cieľom vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba je doplniť a rozšíriť poznatky, ktoré sme získali prostredníctvom Hubblovho teleskopu. V prvom rade je dôležité pochopiť, ako vznikli prvé galaxie vo vesmíre. Hubble pomohol nájsť doteraz najmladšiu galaxiu GN-z11, ktorú sme vďaka tomu videli v čase 400 miliónov rokov po Veľkom tresku. Webb má však zájsť ešte ďalej do minulosti. Môže zachytiť galaxie, a to dokonca v čase formovania.
„JWST bude detegovať svetlo z galaxií, ktoré vznikali ako prvé. Je určitá nádej, že získanie údajov o ich rotácii nám umožní odhadnúť, či tmavá hmota, ktorej existenciu v dnes existujúcich galaxiách predpokladáme, ale nemáme potvrdenú, bola prítomná už v prvých galaxiách. A ak áno, tak v akom množstve,“ približuje astronóm.
Taktiež bude pátrať aj po najstarších hviezdach, teda generácii, ktorá sa zrodila po Veľkom tresku. Hubble priniesol nádherné zábery hmlovín, v ktorých hviezdy vznikajú. No keďže sú tieto miesta plné plynu a prachu, nedokázal nazrieť dostatočne hlboko. Práve Webb to môže zmeniť, pretože infračervené žiarenie prechádza cez husté mraky prachu a umožní astronómom nazrieť, čo sa za týmto závojom nachádza.
„Boli to hviezdy zložené len z vodíka a hélia. Až nasledujúce generácie hviezd vrátane nášho Slnka obsahujú ďalšie prvky, ktoré vznikli pri reakciách vo hviezdach predchádzajúcej generácie. Tým, že môžeme sledovať rôzne štádiá ich vývoja, dokážeme si vytvoriť predstavu, ako sa vyvíjajú a napríklad aj to, aký bude osud nášho Slnka,“ hovorí Ján Svoreň.
Pozrite si
Možno nájde stopy po živote
JWST bude tiež skúmať extrasolárne planéty, teda tie mimo našej slnečnej sústavy. Má totiž dostatočne veľkú rozlišovaciu schopnosť na to, aby analyzoval ich atmosféry a našiel telesá vhodné na existenciu života, či dokonca rovno aj náznaky mimozemského života. Webb sa zameria na planéty, ktoré prechádzajú pred svojou hviezdou. Jej svetlo totiž prejde cez atmosféru telesa, a dokážeme tak odhaliť jej zloženie. Prvky a molekuly v nej totižto pohlcujú svetlo a špecificky sa mení ich energia. Takým spôsobom vieme zistiť, či je v atmosfére napríklad voda alebo metán, ktorý by mohol naznačovať život. Na Zemi sú jeho najväčším zdrojom práve organizmy.
Samozrejme, ďalekohľad môže priniesť aj mnoho nečakaných prekvapení tak, ako to dokázal Hubble.
„Veľmi by som si želal, aby Webb objavil zopár dvojičiek Zeme, teda kamenných exoplanét s atmosférou a vzdialenosťou od materskej hviezdy, ktorá umožňuje na povrchu udržanie vody v tekutom stave,“ prezradil Ján Svoreň.
Konštruktér Ján Baláž zas verí, že teleskop potvrdí viaceré naše predpoklady.
„Ako vyzeral vesmír blízko k svojmu počiatku, iba predpokladáme na základe určitých modelov, ktoré sú však viac-menej teoretické. Vo fyzike je však experiment kráľom a JWST je v súčasnosti tým najúžasnejším reálnym experimentom na štúdium pôvodu nášho vesmíru, a teda aj nás samých. Verím, že okrem niektorých potvrdení JWST prinesie aj úplne neočakávané objavy, na ktoré sa teším a, pochopiteľne, netuším, ako budú vyzerať.“
Záber na Webba krátko po vypustení do vesmíru. Zdroj: Arianespace/ESA/NASA/CSA/CNES
Ako budú vyzerať nasledujúce mesiace
Od vypustenia Webbovho ďalekohľadu uplynulo už 25 dní. Za tento čas sa stihol plne rozbaliť, a to vrátane viacvrstvového štítu, solárnych panelov, radiátorov či primárneho zrkadla, keďže jeho bočné segmenty boli sklopené. Do vesmíru ho totiž vyniesla raketa v poskladanej podobe. Po zhruba mesiaci od štartu sa spustí korekčný manéver, aby sa teleskop dostal na dráhu okolo libračného bodu L2.
„JWST využíva na rozbalenie komplexné mechanizmy a vyše stovky rôznych mechanických aktuátorov. Medzi ďalšie jemné operácie patrí veľmi presné nastavenie všetkých osemnástich segmentov primárneho zrkadla, čo zabezpečujú precízne mikromotorčeky. Treba si uvedomiť, že ak má optika zabezpečiť perfektné zobrazenie, presnosť optických plôch sa nesmie líšiť od ideálneho tvaru o viac ako štvrtinu vlnovej dĺžky pozorovaného svetla, takže ide o desiatky, maximálne stovky nanometrov,“ približuje Ján Baláž. Tento proces potrvá mesiace.
Taktiež zrkadlo sa veľmi pomaly pasívne schladzuje na potrebnú prevádzkovú teplotu. Kalibráciu a vyladenie si vyžiadajú aj všetky detektory.
Keď inžinieri všetko dôkladne otestujú, prejde sa na pozorovania, pričom zo začiatku pôjde podľa Svoreňa skôr o časove menej náročné projekty, ktoré overia reálne možnosti prístroja. O pozorovací čas je veľký záujem. Na prvý rok prišlo zo 44 krajín viac ako tisíc žiadostí, ktoré s ním súviseli. O jeho pridelení rozhoduje vedecký výbor, ktorý posudzuje originalitu a prínos. Prednosť majú štáty, ktoré ďalekohľad financovali.
„Slováci sa k pozorovaniu môžu dostať v rámci spolupráce, napríklad ak robia s niekým z Nemecka či z Francúzska. Keďže zatiaľ nie sme členmi ESA, ktorá je jedným z troch partnerov projektu, získať pozorovací čas samostatne zo Slovenska, najmä zo začiatku, nie je veľmi reálne,“ hovorí Ján Svoreň.
Na jednom sa vedci zhodujú. Keď ďalekohľad naplno spustia, máme sa na čo tešiť.
Zdroje: NASA, Goddardovo centrum pre vesmírne lety (1, 2), Smithsonian Magazine, National Geographic
