James Webb gaat nog verder de ruimte in kijken

Het is zover. Eind december wordt de meest geavanceerde ruimtetelescoop ooit gelanceerd: de James Webb Space Telescope. Onze blik op het verleden, zwarte gaten en nieuwe exoplaneten wordt daarmee nóg beter, scherper en gevoeliger.

Na meer dan 25 jaar werk, verscheidene malen uitstel en vertraging, kijkt de ruimtevaartwereld met spanning uit naar 25 december. Dan gaat – fingers crossed – vanaf de basis van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in Frans-Guyana eindelijk de James Webb Space Telescope de ruimte in, door betrokkenen steevast ‘Webb’ genoemd. De lancering is te volgen via dit kanaal van NASA.

Het apparaat gaat nog dieper de ruimte in kijken, met grotere gevoeligheid en precisie dan zijn voorgangers, zoals Hubble. Dat doet Webb door licht in het nabij- en mid-infrarood op te vangen (zie de figuur hieronder). Na de oerknal begon alles in het heelal van elkaar af te bewegen en hoe verder weg je kijkt, hoe meer alles is verschoven richting het rood.
 

Op allerlei vlakken beter

‘De Webb is op allerlei vlakken beter. Hij is gevoeliger dankzij zijn grotere schotel, en kijkt dus dieper het heelal in. Maar hij legt ook scherpere beelden vast’, vertelt hoogleraar moleculaire astrofysica Ewine van Dishoeck van de Universiteit Leiden.

Van Dishoeck is een van de wetenschappers die aan de wieg hebben gestaan van Webb. ‘Eind jaren negentig besloten we met wat wetenschappers in Europa en de Verenigde Staten om te gaan pushen voor een instrument op het observatorium dat infrarood kan waarnemen.’
 

 

Nederlandse optica

Die lobby had resultaat en dankzij een samenwerking met NASA heeft de ruimtetelescoop nu het meetinstrument MIRI (mid infra-red instrument) aan boord. ‘De VS hebben de detectoren en koeling ervan gebouwd en Europa de instrumenten, zoals de camera en de spectrometer. De optica daarvan is zelfs grotendeels Nederlands.’

Het hele ruimteobservatorium is een samenwerking tussen NASA, ESA en CSA, de ruimtevaartorganisaties van respectievelijk de VS, Europa en Canada. Europa levert twee belangrijke instrumenten, MIRI en NIRspec, en daarbovenop verzorgt ESA ook de lancering met een Ariane 5-raket. De ontwikkeling van Webb heeft een geschatte 8,8 miljard dollar (7,8 miljard euro) gekost.
 

Uitklapspiegel

Een paar maanden geleden werd de 6,5 ton zware ruimtetelescoop vervoerd van Los Angeles naar Kourou in Frans-Guyana. ‘Daar gaat het werk 24/7 door. Gelukkig liggen we vóór op schema’, vertelde systems engineer van ESA Maurice te Plate half november, net terug uit Frans-Guyana, waar hij de laatste belangrijke tests vóór de lancering had uitgevoerd.
 

Opgevouwen in de neus van de raket

Bijna alles is speciaal aan de Webb. ‘Het is het grootste en meest complexe observatorium dat ooit is gebouwd’, vertelt Te Plate. ‘Hij is zo groot dat hij niet zomaar in de neus van een raket past. Hij moet in opgevouwen toestand worden gelanceerd. Dat is niet eerder gedaan.’

Om die reden is de primaire spiegel bij Webb opgedeeld in achttien zeshoekige segmenten die uiteindelijk naadloos op elkaar moeten aansluiten. Tezamen vormen ze een spiegel van 6,6 meter doorsnede; de vaste spiegel van Hubble mat 2,4 meter.
 

Zes tot zeven keer meer licht

‘Die grote spiegel is een van Webbs sterke punten’, zegt Te Plate. ‘Net zoals een grote emmer meer regendruppels opvangt dan een kleine beker, vangt een grote spiegel meer fotonen in. Webb vangt zes tot zeven keer meer licht dan Hubble.’
 

 

Laagje goud

De afzonderlijke spiegels zijn gemaakt van beryllium en gecoat met een flinterdun laagje goud, dat infraroodstraling optimaal weerkaatst. Onder elk spiegelsegment zitten zeven mechaniekjes die het in verschillende richtingen kunnen draaien. ‘Uiteindelijk moet de hele spiegel rock-steady zijn om goed te kunnen waarnemen. Om de paar weken controleren we de kwaliteit van het golffront van het licht.’

Het binnenkomende licht valt op de primaire spiegel, dan op de secundaire en gaat van daaruit naar het binnenste van de telescoop (zie de figuur hierboven), waar uiteindelijk het licht wordt gesplitst en naar de verschillende instrumenten wordt geleid. Die kunnen zo tegelijk waarnemingen doen.
 

Afgeschermd van de zonnestralen

De telescoop wordt met radiatoren passief gekoeld tot zo’n veertig Kelvin, -235 graden Celsius. Dat is nodig om goede waarnemingen te kunnen doen; Webb kijkt immers naar infrarood licht.

Om de telescoop zo koud te houden, moet hij worden afgeschermd van de zonnestralen. Daarvoor zorgt het zonnescherm, een enorm zeil, zo groot als een tennisbaan. Dat bestaat uit vijf lagen kapton, een folie van polyimide – een kunststof die vaker wordt gebruikt in de ruimtevaart – met een tussenruimte.

Het meetinstrument MIRI wordt nog sterker gekoeld om zijn metingen te kunnen doen, tot zes Kelvin. Daarvoor heeft deze een eigen cryo-cooler, een soort complexe koelkast, die draait op de stroom van de zonnepanelen van de telescoop.
 

 

Ontdekkingsreis

Te Plate mag dan wel een ingenieur zijn die vooral bezig is geweest met het ontwerpen, bouwen en testen van de Webb, maar ook zijn hart gaat sneller kloppen van de wetenschappelijke ontdekkingen die van de telescoop te verwachten zijn.

‘Ja, het is echt een ontdekkingsreis. Eerdere telescopen hebben prachtige beelden gemaakt, maar de foto’s en spectra van de allereerste sterren en stelsels in het heelal hebben we nog nooit gezien.’
 

Ingewikkeldste satelliet

De Webb is de ingewikkeldste satelliet ooit, bevestigt ruimtevaartdeskundige Erik Laan, zelf niet betrokken bij het project. De ruimtetelescoop is zó complex, dat het bijna onverantwoord is, vindt hij. Laan wijst op de 344 single-point-of-failures in het apparaat; stappen die móeten werken, omdat anders de missie faalt. ‘Zoveel, dat is niet eerder vertoond. Neem de Marsrover Perseverance: die had er zo’n vijftig voordat hij op het Marsoppervlak kon rondrijden.’

Zo’n vaart zal het niet lopen, relativeert Te Plate. ‘Bijna alle systemen zijn dubbel uitgevoerd. Dus als één ervan faalt, treedt het andere in werking. Verder hebben we alle benodigde acties uit en te na getest. Zo’n beetje álles is uitgeprobeerd op aarde, vaak op minimaal twee verschillende testmanieren. En ten slotte is op cruciale onderdelen veel marge ingebouwd. Als bijvoorbeeld een motortje een bepaald koppel moet uitoefenen, dan zijn we daar in het ontwerp niet 5 procent boven gaan zitten, nee, dan hebben we het motortje twee of drie keer zo sterk gemaakt.’
 

 

Spannende eerste weken
Zo’n 26 minuten na lancering houdt de Arianeraket van ESA ermee op en moet de telescoop zijn eigen weg gaan. Webb draait in de juiste richting en zet zijn eigen aandrijving aan, met kleine thrusters, op weg naar zijn bestemming op 1,5 miljoen kilometer van aarde. Minuten later klapt het zonnepaneel uit, zodat de telescoop zelf stroom gaat maken. Twee uur na lancering klappen de antennes uit waarmee Webb data naar de aarde gaat sturen. Na een dag of drie begint de eerste stap van het uitklappen van het zonneschild, dat in delen gebeurt. Rond dag zeven is het zonnescherm zover dat de spanning op de folies kan worden gezet.
Nu is de Webb afgeschermd van de warmte van de zon en beginnen de instrumenten in rap tempo af te koelen. Toch duurt het weken voor ze koud genoeg zijn om te werken. Tien dagen na lancering wordt de secundaire spiegel uitgeklapt en op dag twaalf is het de beurt aan de hoofdspiegel. Nu de telescoop helemaal is uitgeklapt kan het grote testen beginnen. De optische onderdelen worden afgesteld door de telescoop naar een heldere ster te laten kijken. Zo worden alle achttien segmenten van de hoofdspiegel heel precies uitgelijnd, zodat Webb langzamerhand steeds scherper zal gaan zien.
Om alle instrumenten grondig te testen, doet de telescoop in de vijfde en zesde maand zijn eerste voorzichtige waarnemingen, bijvoorbeeld van nabijgelegen bewegende objecten, zoals asteroïden, kometen, planeten en manen in ons eigen zonnestelsel. Zes maanden na lancering kunnen de astronomen dan eindelijk los met de James Webb Space Telescope. De hoop is dat hij tot 2032 blijft functioneren.

 

Uitklappen

Wanneer Webb op weg gaat naar zijn eindpunt, op 1,5 miljoen kilometer van aarde, begint een proces van twee weken waarin hij stapsgewijs wordt uitgeklapt. In die tijd volgen de spannende momenten elkaar in hoog tempo op (zie het kader hierboven), maar Laan is het meest benauwd voor het uitvouwen van het zonnescherm. ‘Ik weet dat dit uitvouwen op aarde is getest in een cleanroom, maar nu moet het voor het eerst in een omgeving zonder zwaartekracht. Dat is toch nog spannend.’
 

Quasi zero-g

Dat gevoel deelt ESA-systems engineer Te Plate, maar hij benadrukt dat alles uit de kast is gehaald om het uitvouwen van het scherm zo goed mogelijk te testen. ‘De afwezigheid van zwaartekracht kunnen we op aarde niet testen. Maar we kwamen wel in de buurt door bijvoorbeeld uitklapmechanismen negentig graden te kantelen, zodat de zwaartekracht niet werkt in de richting waarin het mechanisme wordt uitgeklapt. Zodoende creëer je een zogeheten quasi zero-g-situatie. Ook kun je systemen tijdens zulke tests offloaden, waarbij je het gewicht eraf haalt door het systeem bijvoorbeeld aan een kabel op te hangen. Bij het zonnescherm moesten we nog een andere truc gebruiken. Hierbij zijn zeer grote, supergladde tafels gebruikt, waardoor er nauwelijks weerstand en invloed van de zwaartekracht was bij het uitklappen.’

Fragiele folies

De folies van het zonnescherm ogen ook fragiel, en zijn kwetsbaar voor kleine objecten die door de ruimte vliegen. ‘Een micrometeoriet zal er dwars doorheen gaan’, zegt Laan. ‘Toen de spaceshuttle nog vloog kwam hij altijd terug met minstens één “steentje in de ruit”. Maar hieraan zullen de ingenieurs van het James Webb-project ongetwijfeld hebben gerekend, want hoeveel kleine meteorietjes er gemiddeld invallen, is bekend. Het risico zal acceptabel zijn.’
 

Exoplaneten

Behalve dat er objecten in beeld komen die vroeger in de geschiedenis van het heelal werden gevormd, is Webb ook geschikt om exoplaneten te bestuderen. Dit zijn planeten die rond andere sterren cirkelen. Het onderzoek naar deze hemellichamen is nog relatief jong.

‘De eerste werd pas in 1995 ontdekt en toen stond Webb al op de tekentafel’, vertelt astronoom Van Dishoeck. ‘We vinden de kleinere planeten in twee soorten: rotsachtige exoplaneten, die we super-aardes noemen, en exoplaneten met een dunne gasatmosfeer, die we mini-neptunussen noemen. We zijn erg benieuwd welke gassen we aantreffen op die planeten, zoals water, methaan, ozon, kooldioxide, ammoniak. Ook kunnen we met de instrumenten van Webb – MIRI en NIRspec – de temperatuur en zelfs het weer op zo’n exoplaneet bepalen.’
 

Nieuwe werelden ontdekken

De derde belangrijke toepassing van de nieuwe ruimtetelescoop is het ontdekken van nieuwe-werelden-in-wording, bij uitstek Van Dishoecks vakgebied. ‘We speuren naar zonachtige sterren waaromheen planeten op dit moment ontstaan die te vergelijken zijn met onze Jupiter. Die processen vinden plaats in donkere nevels, zoals de Orionnevel. In het zichtbare licht zie je daar nauwelijks iets, maar in het midinfrarood des te meer.’
 

Methaan-ijs

Rond zo’n jonge ster die op onze zon lijkt, draait dan een schijf van gas en kleine stofdeeltjes, een oernevel. Her en der klontert massa samen, waardoor gaandeweg nieuwe planeten ontstaan. Van Dishoeck: ‘De buitenste helft van zulke circumstellaire schijven bestuderen we al met ALMA, een array van radiotelescopen in Chili. Webb gaat zich richten op het warme binnenste gedeelte waar de meeste planeten vormen. Hij gaat tot in detail de samenstelling bepalen van de gassen die daar zitten. Zo geeft de verhouding tussen koolstof en zuurstof informatie over de ontstaansgeschiedenis. Soms zit er ook ijs, als je wat verder van de moederster af komt. Niet alleen water-ijs, maar ook methaan-ijs, ammoniak-ijs en misschien zelfs meer complexe moleculen. Vaste stoffen dus, waarvan Webb heel goed de concentratie kan bepalen.’
 

Verrassen

Hoewel astronomen enerzijds goed weten waarnaar ze zoeken, zal de telescoop ongetwijfeld ook gaan verrassen. ‘Als we íets hebben geleerd van het verleden, dan is het dat je nieuwe dingen vindt zodra je beter het heelal in kan kijken. En met Webb gaan we niet een beetje beter kijken, nee, we gaan tegelijkertijd beter, scherper en gevoeliger kijken. We gaan absoluut iets vinden wat we niet hadden verwacht.’

 

MEER LEZEN?

Dit verhaal over de unieke James Webb Space Telescope verscheen ook in het decembernummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.

• Ik koop het digitale decembernummer voor € 7,50 
• Ik neem een digitaal abonnement voor € 69,-