Taiteilijan näkemys – JWST avaruudessa

Aikajana: James Webb -teleskoopin matka luonnoksista kiertoradalle

Maailman suurimman avaruusteleskoopin matka luonnospöydältä avaruuteen alkoi yli 30 vuotta sitten ja päättyy vasta aikaisintaan kymmenen vuoden kuluttua. Sitä ennen James Webb -teleskooppi mullistaa käsityksemme avaruudesta.

Maailman suurimman avaruusteleskoopin matka luonnospöydältä avaruuteen alkoi yli 30 vuotta sitten ja päättyy vasta aikaisintaan kymmenen vuoden kuluttua. Sitä ennen James Webb -teleskooppi mullistaa käsityksemme avaruudesta.

NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

1996 – Webb-teleskoopin perusluonnos piirretään

Jo 1980-luvulla Nasan käytävillä kierteli ajatuksia tulevaisuuden jättiteleskoopista.

Visiot saivat vauhtia etenkin sen jälkeen, kun avaruusteleskooppi Hubble vuonna 1990 laukaistiin ja siinä oli viallinen pääpeili. Vaikka ongelma vuonna 1993 ratkaistiin, ajatus paljon suuremmasta avaruusteleskoopista oli jo saanut jalansijaa.

Vuonna 1996 komitea esitti, että Nasa alkaisi suunnitella Next Generation Space Telescope -laitetta, joka pystyisi vastaanottamaan infrapunasäteilyä varhaisten galaksien syntyajoilta.

Luonnoksia James Webb -teleskoopista

James Webb -teleskoopin lopullinen muoto on jo tunnistettavissa varhaisista luonnoksista vuodelta 1996.

© P.Bély/GSFC

2007 – Nasa joutuu luopumaan alkuperäisestä laukaisuajankohdasta

1990-luvun aikana Nasassa hallitsi ajatus "nopeammin, paremmin ja halvemmalla", ja kunnianhimoiset suunnitelmat avaruusteleskoopista, jossa on läpimitaltaan 8-metrinen peili, jonka hinta on vain 500 miljoonaa dollaria ja joka laukaistaan seuraavalla vuosikymmenellä, alkoivat muotoutua.

Vuosituhannen vaihteessa oli kuitenkin jo selvää, ettei sen enempää aikataulu kuin budjettikaan voinut pitää.

James Webb alinna vasemmalla vuonna 1962

Suunniteltu teleskooppi nimettiin syyskuussa 2002 James E. Webbin (vasemmassa alakulmassa) mukaan. Webb johti Nasaa 1960-luvun kuulentojen aikana. Nimeä kritisoitiin vuonna 2021, kun Webbiä syytettiin osallisuudesta lukuisiin homoseksuaalisten työntekijöiden irtisanomisiin. Nasa totesi syytökset perättömiksi.

© NASA

Kun oltiin alkuperäisessä laukaisuajankohdassa, vuodessa 2007, James Webb Space Telescope (JWST), joka nyt oli sen virallinen nimi, oli jo ylittänyt alkuperäisen budjetin puolella miljardilla dollarilla – eikä rakentaminen ollut vielä edes alkanut.

2008 – Maailman suurimman avaruusteleskoopin rakentaminen alkaa

Webb-teleskoopin rakennusvaihe käynnistyi vasta vuonna 2008. Tuolloin laukaisuajankohdaksi oli päätetty vuosi 2014.

Teleskooppi koostuu kahdesta suuresta pääkomponentista:

  • Instrumenttikokoelma ja läpimitaltaan 6,5-metrinen pääpeili, johon kuuluu 18 pienempää, liikkuvaa kuusikulmaista palasta
  • Tenniskentän laajuinen aurinkovarjo, joka peittää sekä Auringosta että Maasta tulevan säteilyn.

2011 – Edustajainhuone hylkää Webb-teleskoopin

Vaikka 75 prosenttia komponenteista oli jo rakenteilla ja miljardeja dollareja oli käytetty, USA:n edustajainhuoneen komitea päätti heinäkuussa 2011 hylätä Webb-teleskoopin massiivisten budjetinylitysten vuoksi. Tuolloin avaruusteleskoopin lopulliseksi hinnaksi arvioitiin 6,5 miljardia dollaria.

Päätös kumottiin marraskuussa USA:n kongressissa valtavan julkisen painostuksen jälkeen.

2011 – Rakennusvaiheen loppukiri alkaa

Vasta vuonna 2011 Nasassa pystyttiin selvittämään, miten Webb-teleskoopin suuruisesta avaruusaluksesta voitiin tehdä niin kevyt kuin 1990-luvun laskelmat sen laukaisumahdollisuuksista edellyttivät.

Vuonna 2011 JWST kävi läpi revisiovaiheen, jossa raivattiin tietä avaruusteleskoopin lopulliselle rakennusvaiheelle – vaiheelle C.

Vuosien mittaan kehitystyö oli tuottanut lukuisia avaruusteknologian läpimurtoja. Esimerkiksi Webb-teleskooppiin suunnitellut infrapuna-anturit olivat jo tehostaneet Maassa toimivien teleskooppien toimintaa.

Laukaisuajankohtaa siirrettiin jälleen, nyt vuoteen 2018.

JWST vuonna 2010 testivaiheessa

Koevaiheessa jättiteleskoopin peilejä testattiin esimerkiksi äärimmäisessä pakkasessa.

© NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given

2016–2021 – Koevaihe paljastaa pahoja virheitä

Teleskooppia, joka sijoitetaan niin sanottuun Lagrangen pisteeseen 2 (L2) peräti 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta, ei voida päivittää eikä huoltaa. Jos JWST:ssä on virheitä kuten Hubble-teleskoopissa, seuraukset ovat katastrofaaliset ja fiasko on täydellinen.

Marraskuussa 2016 Webb-teleskooppi oli valmiina, mutta virheiden pelossa Nasa tarkisti yksityiskohtaisesti teleskoopin jokaisen komponentin.

Tutkijat löysivät 344 mahdollisesti kohtalokasta virhettä. Kun eräässä testissä vuonna 2018 aurinkovarjoon syntyi repeämiä, JWST palautettiin piirustuspöydälle ja laukaisua siirrettiin useita kertoja.

25. joulukuuta 2021 – Maailman suurin avaruusteleskooppi nousee Maasta

Viimeiset virheet korjattiin 15. joulukuuta, ja lopulta – 14 vuotta suunniteltua myöhemmin – Webb-teleskooppi nousi Maasta 25. joulukuuta 2021 Ariane 5 -kantoraketin nokassa.

Tänä ajankohtana Webb-teleskoopin kokonaishinnan sen koko toiminta-ajalle arveltiin nousevan 9,7 miljardiin dollariin.

Heti teleskoopin kytkeydyttyä irti kantoraketin viimeisestä vaiheesta sen virtaa tuottavat aurinkopaneelit alkavat avautua automaattisesti.

Laukaisu sujui Nasan mukaan ongelmitta, ja teleskooppi laukaistiin täydelliselle radalle. Kolme kertaa matkan varrella teleskooppi sytyttää moottorinsa pitääkseen kurssin kohti päämääräänsä, L2-pistettä.

Epätarkka laukaisu olisi merkinnyt katastrofia, koska herkkien laitteiden suojaamiseksi teleskoopin pitää olla koko ajan taempi puoli kääntyneenä kohti Aurinkoa.

VIDEO: Katso Webb-teleskoopin onnistunut laukaisu

Joulukuun 28. päivänä suojaava aurinkovarjo alkoi taittua auki.

8. tammikuuta 2022 – Kultapeili avautuu kuin perhonen

Matkalla kohti L2:ta Webb-teleskooppi avasi pääpeilinsä, joka oli ollut kokoon taitettuna kuin perhosen siivet. Tammikuun 8. päivänä prosessi oli loppuun suoritettu.

Webb-teleskooppi kulkee 1,5 miljoonan kilometrin päähän avaruudessa, ja sen matka kestää 29 vuorokautta. Sinä aikana teleskooppi avautuu ja valmistautuu ottamaan maailmankaikkeudesta kuvia, joita ei ole tähän mennessä voitu ottaa.

James Webb teleskooppi vaihe 1
© NASA

1. Teleskooppi poistuu raketista

Puolen tunnin kuluttua laukaisusta mahtava Ariane 5 -raketti on tehnyt tehtävänsä eli saattanut avaruusteleskoopin lopulliselle radalle johtavalle tielle. Ylin rakettivaihe irtoaa, ja teleskooppi jatkaa matkaa omin neuvoin.

James Webb teleskooppi vaihe 2
© NASA

2. Aurinkokilpi levittäytyy

Kolme vuorokautta myöhemmin teleskooppi on ohittanut Kuun ja alkaa levittää 150 neliömetriä laajaa aurinkokilpeään. Se kasvaa täyteen mittaansa parissa vuorokaudessa niin, että rakenteeseen kuuluvat viisi kerrosta asettuvat oikean etäisyyden päähän toisistaan.

James Webb teleskooppi vaihe 3
© NASA

3. Peilit hakeutuvat paikalleen

Kun laukaisusta on kulunut 11 vuorokautta, peilijärjestelmä muotoutuu. Ensin ojentuu sekundaaripeilin varsi. Sitten avautuu pääpeili niin, että kaikki 18 peilisegmenttiä muodostavat tiiviin ryhmän, joka toimii yhtenä suurena peilinä.

Peili on rakennettu 18 kuusikulmaisesta segmentistä kuin mehiläispesä kennoista.

Kukin segmentti koostuu berylliumista, joka on pinnoitettu ohuella kerroksella kultaa. Kulta heijastaa tehokkaasti infrapunavaloa. Kääntöpuoli on kovera painon keventämiseksi. Koko peilissä paino kuutiosenttimetriä kohti on vain kymmenesosa verrattuna Hubble-teleskoopin peiliin.

12.–22. tammikuuta 2022 – Kukin peili valmistellaan yksittäin

Kymmenen päivän kuluessa Nasa aktivoi huolellisesti jokaisen peilin erikseen. Kutakin 18:aa segmenttiä siirretään 126 mikromoottorin avulla 12,5 mm hyvin pienin nykäyksin niiden turvallisesta kuljetusasemasta.

Joka päivä yksi segmentti siirtyy noin millimetrin kohti nollakohtaa, jossa kaikki segmentit toimivat yhden suuren tavoin. Vain yhtä segmenttiä kerrallaan voidaan siirtää.

Nasan avaruustutkijat 1,5 miljoonan kilometrin päässä voivat kauko-ohjata moottoreita niin, että ne siirtyvät metrin miljardisosan. Kun teleskoopista tulee aktiivinen, säätö on tarpeen noin viiden päivän välein.

James Webb aurinkokilpi testi

Teleskoopin peilit leviävät kahdessa vaiheessa. Ensin pääpeilistä työntyy esiin sekundaaripeili. Sitten pääpeilin kaksi kookasta läppää levittyvät auki.

© NASA

Missään aiemmassa teleskoopissa ei ole ollut segmenteistä koottua pääpeiliä, mutta JWST:lle rakenne oli välttämätön, jotta teleskooppi mahtui laukaisurakettiin.

23. tammikuuta 2022 – Webb-teleskooppi alkaa kiertää kiintopistettä

Vajaa kuukausi laukaisun jälkeen JWST on perillä Lagrangen pisteessä L2, missä Auringon ja Maan painovoima ja keskipakovoima kumoavat toisensa niin, että kolmas, pieni kappale voi pysyä paikallaan. Tässä tapauksessa kolmas kappale on teleskooppi.

Webb-teleskooppi voidaan sijoittaa niin sanotulle halokiertoradalle L2:n ympärille, missä sen asema pysyy vakaana minimaalisella polttoaineen kulutuksella.

Lisäksi teleskooppi voi L2:ssa jatkuvasti kääntää selkänsä valonlähteille, kuten Auringolle, Maalle ja jopa Kuulle, jotka voisivat häiritä havainnointia.

Webb-teleskoopille valittu Lagrangen piste L2 sijaitsee melkein neljä kertaa niin kaukana kuin Kuu.

© ESA

Tammikuu–huhtikuu 2022 – jäähdytysjärjestelmä paljastaa näkymättömän universumin

Kun peilit on asetettu nolla-asentoon, alkaa hienosäätö, joka kestää kolme kuukautta. Tuolloin kaikki peilit ja laitteet testataan ja optimoidaan yksi kerrallaan.

Webb-teleskooppi on rakennettu ottamaan teräviä kuvia silmälle näkymättömän infrapunavalon alueella – etenkin noin 2 mikrometrin aallonpituuksilla. Jos teleskooppi toimii optimaalisesti näillä aallonpituuksilla, se pystyy ottamaan erinomaisia kuvia myös muilla kattamansa infrapunaspektrin alueista.

JWST spektri infrapunavalolle

JWST näkee suuresta osasta spektriä infrapunavaloa, jota muut avaruusteleskoopit eivät pysty havaitsemaan.

© NASA/J. Olmstead (STScI)

Infrapunasäteilyä kutsutaan usein lämpösäteilyksi, ja jotta James Webb -teleskooppi voi tehdä säteilystä tarkkoja mittauksia, sen laitteissa pitää vallita vakaat ultrakylmät lämpötilat. Tammikuusta huhtikuuhun laitteita jäähdytetään asteittain –223 asteeseen tai vielä kylmemmäksi teleskoopissa olevan heliumiin perustuvan jäähdytysjärjestelmän avulla.

Esimerkiksi MIRI-laitteen, joka havainnoi valoa 5–27 mikrometrin aallonpituuksilla, on toimiakseen oltava kylmennettynä –267 asteeseen.

James Webb tähtisumut

Suuremman peilin ja infrapunakuvauksen (oik.) ansiosta James Webb -teleskooppi pystyy muun muassa näkemään tähtisumujen läpi ja havaitsemaan tähtiä, joita tavalliset teleskoopit (vas.) eivät huomaa.

© AURA/STScI/ESA/NASA

24. huhtikuuta 2022 – Jättiteleskooppi avaa silmänsä ensi kertaa

Noin neljän kuukauden kuluttua kaikki tutkimuslaitteet ovat valmiina ja JWST voi ensi kertaa kohdistaa katseensa kohti tähtiä. Ensimmäiset havainnot – "first light" – ovat epätarkkoja, koska säätäminen on vielä meneillään.

Nasa arvelee, että ensimmäiset terävät kuvat saadaan huhtikuun 24. päivän tienoilla.

Suuri Magellanin pilvi

Ensimmäiset Webb-teleskoopin tutkimat kohteet ovat Suuressa Magellanin pilvessä, Linnunradan naapuruston kääpiögalaksissa.

© ESA/NASA/JPL-Caltech/STScI

25. kesäkuuta 2022 – Webb-teleskooppi tarttuu toimeen

Noin kuusi kuukautta laukaisun jälkeen Nasan miljardi-investointi alkaa maksaa hintaansa takaisin, kun sen tieteellinen tehtävä alkaa.

JWST:n tuottamien kuvien terävyys on vähintään viisinkertainen verrattuna Maan pinnalla toimivien teleskooppien kuviin.

2027 – Tutkimushanke kestää aluksi viisi vuotta

Webb-teleskoopin ensimmäisen tieteellisen tehtävän on kaavailtu kestävän vuoteen 2027. Siihen mennessä sen toivotaan selvittäneen joitakin suurimmista arvoituksista niin omassa galaksissamme kuin sen ulkopuolellakin.

JWST:n on määrä tutkia esimerkiksi, milloin ensimmäiset galaksit syntyivät alkuräjähdyksen jälkeisenä aikana, ja tähyillä elämän merkkejä kaukaisilta planeetoilta.

James Webb teleskooppi linnunrata
© NASA & Shutterstock

5 arvoitusta odottaa Webb-teleskooppia

Tuhannet astrofyysikot haaveilevat mahdollisuudesta käyttää työssään hyväksi Webb-teleskooppia. Heidän tavoitteenaan on vastata tähtitieteen suuriin avoimiin kysymyksiin.

ensimmäiset galaksit
© M. Kornmesser/ESO

1. Milloin ensimmäiset galaksit muodostuivat?

Maailmankaikkeus on laajentunut koko 13,8 miljardia vuotta kestäneen olemassaolonsa ajan, ja ensimmäiset tähdet ja galaksit ovat nyt miljardien valovuosien päässä. Niiden valo on sittemmin muuttunut infrapunasäteilyksi, jota Webb-teleskooppi havainnoi.

eksoplaneetat
© N. Risinger/M. Kornmesser/ESO

2. Esiintyykö eksoplaneetoilla elämää?

Webb-teleskooppi voi kuvata eksoplaneettoja ja määrittää, onko niiden kaasukehässä happea, metaania, vesihöyryä tai muita aineita, jotka saattavat olla elämän merkkejä. Tutkimuskohteisiin kuuluvat esimerkiksi TRAPPIST-1-tähteä kiertävät planeetat.

uudet aurinkokunnat
© C. Carreau/ESA

3. Kuinka uudet aurinkokunnat syntyvät?

Tutkijat olettavat tähtien ja niiden planeettojen muodostuvan, kun vety- ja pölypilvi luhistuu. Webb-teleskooppi voi vahvistaa oletuksen, sillä se näkee niiden tähtisumujen läpi, joissa prosessi tapahtuu.

Neptunus Uranus
© Shutterstock

4. Mistä Neptunus ja Uranus koostuvat?

Webb-teleskooppi voi antaa uutta tietoa Aurinkokunnan kahdesta uloimmasta planeetasta, Uranuksesta ja Neptunuksesta. Teleskooppi muun muassa mittaa niiden lämpötilan ja kartoittaa niiden ulko-osan kemiallisen koostumuksen.

pimeä aine
© Science Photo Library

5. Kuinka pimeä aine jakautuu?

Maailmankaikkeuden aineesta valtaosa on näkymätöntä, sillä se ei lähetä eikä ime itseensä valoa. Pimeä aine taivuttaa kuitenkin valoa. Webb-teleskooppi erottaa tämän vaikutuksen ja voi siten paljastaa aineen jakautumisen.

+2032 – Virheetön laukaisu pidentää toiminta-aikaa

Koska JWST kuluttaa jatkuvasti polttoainetta pysyäkseen paikallaan, polttoaineen riittävyys ratkaisee teleskoopin varsinaisen toiminta-ajan.

Koska laukaisu sujui erinomaisesti ja vaati laskettua vähemmän polttoainetta, Nasa odottaa, että jättiteleskooppi voi jatkaa uraauurtavaa havainnointiaan vähintään kymmenen vuotta – ja todennäköisesti vielä paljon pidempäänkin.