Yksi maailman suurimmista kantoraketeista seisoo valmiina Etelä-Amerikassa, Ranskan Guayanassa lähellä päiväntasaajaa sijaitsevassa Euroopan avaruusjärjestön laukaisupaikassa. Valtava James Webb -avaruusteleskooppi mahtuu hädin tuskin 53 metriä pitkän raketin kärkeen. Matkaa määränpäähän on puolitoista miljoonaa kilometriä.
Vuoden tärkein laukaisu tapahtuu sillä hetkellä, kun lähtölaskennassa päästään nollaan, ja Ariane 5 -raketti nousee taivaalle. Kolmen suuren rakettimoottorin voima nostaa nopeutta rajusti, joten äänivalli murtuu jo alle minuutissa.
Raketti kiitää eteenpäin ja kulkee jo muutaman minuutin kuluttua avaruudessa. Valvomossa riemuitaan onnistuneesta laukaisusta. Se merkitsee erittäin tärkeän, kymmenen vuotta kestävän operaation alkamista.
Toivottavasti kaikki tapahtuu kuvatulla tavalla syksyllä, kun Webb-teleskooppi vihdoinkin lähetetään matkaan.
James Webb -teleskooppi täsmentää maailmankaikkeuden tarinaa.
Nasan entisen johtajan James Webbin mukaan nimetty teleskooppi on ylivoimaisesti kaikkien aikojen suurin, tehokkain ja monimutkaisin avaruusteleskooppi, ja se mullistaa tähtitieteen.
Tähtitieteilijät näkevät aiempaa kauemmaksi avaruuteen ja voivat valokuvata ja analysoida ennen tuntemattomia eksoplaneettoja, tähtiä ja galakseja sekä tarkentaa maailmankaikkeuden historiaa suuremmalla määrällä yksityiskohtia kuin tätä nykyä on mahdollista.
Tähtitieteilijät ovat odottaneet 20 vuotta
Vaikka laukaisu onnistuu, uskomattoman monta asiaa voi vielä mennä mönkään, ennen kuin avaruusteleskooppi pääsee määränpäähänsä.
Teleskooppi on niin suuri, että se mahtuu kantorakettiin vain tiiviisti kokoon taitettuna. Lähtiessään teleskooppi on raketin kärjessä kuin perhonen, joka odottaa vapautumistaan kotelosta.
James Webb -teleskooppi matkustaa avaruudessa kokoon taitettuna, jotta se mahtuu Ariane 5 -raketin kärkeen.
Vasta sitten, kun kaikki osat ovat auenneet oikein, suunnitteluun, teleskoopin rakentamiseen, testaamiseen ja laukaisemiseen osallistuneet yli tuhat henkilöä 17 maasta voivat huokaista helpotuksesta.
Samoin on niiden tuhansien tutkijoiden laita, jotka ovat odottaneet yli 20 vuotta, että avaruuden uudelta havaintopaikalta alkaa välittyä tietoa.
Teleskooppi avautuu matkalla
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.
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.
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.
Kun kantoraketti on tehnyt tehtävänsä ja saattanut avaruusteleskoopin oikealle reitille kohti määränpäätään, seuraava kriittinen vaihe on valtavan aurinkokilven leviäminen.
Teleskoopin laitteet eivät siedä kuumuutta, vaan ne toimivat parhaiten äärimmäisessä kylmyydessä. Siksi operaation onnistuminen riippuu ratkaisevasti siitä, leviääkö leijamainen aurinkokilpi oikein avaruudessa.
Levällään aurinkokilpi on 21,2 metriä pitkä ja 14,2 metriä leveä. Se koostuu viidestä hiusta ohuemmasta muovikalvokerroksesta.
Jokainen kerros on päällystetty ultraohuella alumiinipinnoitteella, joka heijastaa auringonsäteet takaisin avaruuteen, ennen kuin ne osuvat herkkiin laitteisiin.
Aurinkokilpi vaikuttaa kuin voide, jonka suojakerroin on 1 200 000.
On melkoinen insinööritaidon ihme, että noin 750 neliömetriä muovikalvoa saadaan taitetuksi kokoon tavalla, joka mahdollistaa sen levittämisen avaruudessa automaattisesti teleskooppivarsien avulla tenniskentän kokoiseksi viisinkertaiseksi aurinkovarjoksi.
Epäilemättä kynsiä pureksitaan jonkin verran, kun tekninen henkilöstö odottaa tietoja teleskoopin valvontajärjestelmiltä.
Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, aurinkokilpi suojaa teleskooppia kuin aurinkovoide, jonka suojakerroin on 1 200 000. Sen ansiosta kilven varjopuolella lämpötila laskee –225 asteeseen.
Laitteet pitävät kuitenkin vielä kylmemmästä, joten lämpötila painetaan nestemäisellä heliumilla –266 asteeseen eli vain seitsemän asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä.
Nasan teknikot ovat testanneet laboratoriossa James Webb -teleskoopin aurinkokilpeä, joka koostuu 750 neliömetristä muovikalvoa. Avaruudessa teleskoopin pitää levittää se omin avuin.
Kun aurinkokilpi on levällään, vuorossa on suuri peili, joka ottaa vastaan ja keskittää etäisten taivaankappaleiden heikkoa valoa. Myös peili on kokoon taitettuna siihen asti, kun teleskooppi pääsee määränpäähänsä.
Peili koostuu 18 kuusikulmaisesta segmentistä, joiden sivujen väli on 1,32 metriä. Niistä vain 12 voi olla kantoraketissa yhtenä kappaleena. Loput kuusi peilisegmenttiä on asennettu kolmittain kahteen kookkaaseen läppään, jotka kääntyvät paikalleen ja lukittuvat.
Teleskoopin peilit leviävät kahdessa vaiheessa. Ensin pääpeilistä työntyy esiin sekundaaripeili. Sitten pääpeilin kaksi kookasta läppää levittyvät auki.
Kun sekä aurinkokilpi että pääpeili ovat auenneet, avaruusteleskoopin tarvitsee enää vain korjata kurssinsa päästäkseen sille radalle, jolla se toimii käyttöikänsä loppuun asti.
Vain takapuoli näkyy
Teleskooppi kiertää L2:ksi kutsuttua pistettä, joka sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta Auringosta poispäin. Siellä teleskoopin radasta tulee suhteellisen vakaa, minkä ansiosta sillä pysyminen vaatii melko vähän polttoainetta.
Vielä tärkeämpää on se, että L2:ta kiertäessään teleskooppi voi aina näyttää sekä Auringolle että Maalle kääntöpuolensa.
James Webb -teleskooppi kiertää L2-pistettä, joka sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta. Se on siis melkein neljä kertaa niin kaukana kuin Kuu.
Teleskooppi on niin herkkä, että Auringosta, Maasta ja myös Kuusta tuleva valo tai lämpösäteily pilaa mittaukset. Siksi on tärkeää, että aurinkokilpi varjostaa kaikkia kolmea taivaankappaletta. Silloin teleskooppi voi keskittyä kauempana avaruudessa sijaitseviin muihin tutkimuskohteisiin.
Jos mikään ei mene mönkään, Webb-teleskooppi siirtyy radalleen täydellisesti auenneena ja alkaa kerätä arvokasta tietoa maailmankaikkeudesta.
Peilit ottavat vastaan näkymätöntä valoa
Kun Webb-teleskooppi on auenneena paikallaan, varsinainen tutkimushanke voi alkaa. Pääpeili kerää kaukaisten taivaankappaleiden infrapuna- eli lämpösäteilyä, ja sekundaaripeili välittää sen teleskoopin laitteisiin.
1. Kultapeilit keräävät säteilyä
Pääpeili koostuu 18 kuusikulmaisesta peilistä, jotka on valmistettu lujasta kevytmetallista, berylliumista. Peilit on hiottu 20 millimetrin miljoonasosan tarkkuudella ja pinnoitettu kullalla, joka heijastaa infrapunasäteilyä erinomaisesti.
2. Laitteet analysoivat valoa
Peilin takana oleva laitepakki sisältää infrapunakameroita spektrografeja. Spektrografit analysoivat aallonpituuksia, jotka paljastavat teleskoopin näkemien kappaleiden lämpötilan ja kemiallisen koostumuksen.
3. Aurinkokilpi laskee lämpötilaa
Laitteet eivät siedä lämpöä, ja 150 neliömetrin laajuinen aurinkokilpi antaa niille suojaa auringonsäteitä vastaan. Kilpi koostuu viidestä muovikalvokerroksesta, jotka heijastavat säteilyä ja pitävät lämpötilan alle –225 asteessa.
Laukaisu viivästyi 14 vuotta
Kymmenen miljardia dollaria maksava USA:n, Kanadan ja eräiden Euroopan maiden yhteinen teleskooppi on ollut tuskan takana. Sen suunnittelu alkoi 1990-luvun lopulla, ja se piti lähettää alkuperäisen aikataulun mukaan vuonna 2007.
Kalliin teleskoopin tekniset haasteet, rahoitusongelmat ja viimeksi koronapandemia lykkäsivät laukaisua, mutta nyt viimeinen poikkeuksellisen pitkä testisarja on saatettu päätökseen ja matka avaruuteen voi alkaa.
Sadan päivän testissä James Webb -teleskoopin laitteita koekäytettiin avaruutta vastaavissa olosuhteissa Nasan tyhjiö- ja kylmäkammiossa.
Kesän lopulla avaruusteleskooppi pakattiin suureen kontiin ja kuljetettiin meritse Yhdysvalloista Ranskan Guayanan laukaisukeskukseen. Teleskooppi on tarkoitus lähettää 31. lokakuuta, mutta laukaisupäivää voidaan joutua siirtämään sään tai yllättävien teknisten ongelmien takia.
Suuri peili pidentää näköetäisyyttä
Tähtitieteilijät ovat odottaneet kärsivällisesti uutta suurta teleskooppia, josta voi tulla maineikkaan, vuodesta 1990 hyvin palvelleen Hubble-avaruusteleskoopin ansiokas seuraaja.
Juhlaan on aihetta sitten, kun tieteellistä informaatiota alkaa virrata vuoden 2022 aikana, sillä Webb-teleskooppi on paljon enemmän kuin Hubble-teleskoopin ajanmukaistettu versio.
Seuraaja on ennen kaikkea edeltäjäänsä suurempi. Kun Hubble-teleskoopin pyöreän peilin pinta-ala on 4,5 neliömetriä, Webb-teleskoopin monikulmainen peili on laajuudeltaan 25 neliömetriä.
Peilin koosta riippuu, paljonko teleskooppi pystyy keräämään etäisten kappaleiden heikkoa valoa. Näköetäisyys pitenee sitä mukaa kuin peilin koko kasvaa. Lisäksi suuri peili parantaa erotuskykyä ja kuvien tarkkuutta.
James Webb -teleskoopin peili (oik.) on yli viisi kertaa niin suuri kuin Hubble-teleskoopin peili (vas.), ja sen ansiosta saadaan yksityiskohtaisempia kuvia.
On kuitenkin vähintään yhtä tärkeää, ettei uusi avaruusteleskooppi näe maailmankaikkeutta samalla tavalla kuin ihmissilmä ja ensisijaisesti samoin toimivaksi suunniteltu Hubble-teleskooppi.
Webb-teleskooppi havainnoi sen sijaan infrapunasäteilyä, jota ihmissilmä ei erota. Juuri tästä syystä Webb-teleskooppi ei voi jäädä avaruudessa niin lähelle kuin Hubble-teleskooppi, joka kiertää Maata vain noin 540 kilometrin päässä maanpinnasta. Siellä infrapunamittauksiin vaikuttaisi haitallisesti maapallon lämpösäteily.
Infrapunanäkö vaatii kultapeilejä
Hubble-teleskoopin peilit on pinnoitettu alumiinilla, joka heijastaa näkyvää valoa ja välittää sitä teleskoopin kameroihin erinomaisesti. Koska uusi avaruusteleskooppi tekee havaintoja infrapuna-alueella, alumiinia tai muuta hopeanharmaata ainetta ei voida käyttää. Sen sijaan peilit päällystetään puhtaalla kullalla, joka heijastaa infrapunasäteilyä selvästi paremmin.
Suuremman peilin ja infrapunakuvauksen (oik.) ansiosta James Webb -teleskooppi pystyy muun muassa näkemään tähtisumujen läpi ja havaitsemaan tähtiä, joita tavalliset teleskoopit (vas.) eivät huomaa.
Tähtitieteilijät eivät saa muiden teleskooppien otoksista tuttuja hienoja, luonnollisen näköisiä kuvia, vaan heidän pitää muuttaa infrapunasäteily näkyväksi. Perimmäisenä tavoitteena on päästä näkemään myös taivaankappaleita, joita ei ole voitu ennen havainnoida.
Tähtäimessä elämän merkit
Toisin kuin näkyvä valo infrapunasäteily kykenee läpäisemään niitä mittavia pölypilviä, joissa syntyy uusia tähtiä ja niitä kiertäviä planeettoja. Uuden teleskoopin myötä tutkijat pääsevät paitsi seuraamaan tähtien muodostumisen eri vaiheita myös näkemään, kuinka tähtiä ympäröivästä pölystä ja kaasusta tiivistyy planeettoja.
Vuoden 1995 jälkeen on löydetty vieraiden tähtien ympäriltä tuhansia planeettoja, ja nykyään tiedetään, että useimmilla tähdillä on kiertolaisia. Seuraavaksi pyritään selvittämään, onko jollakin eksoplaneetalla voinut syntyä elämää.
James Webb -teleskooppi mittaa eksoplaneettojen lämmön.
Webb-teleskoopin infrapunakamerat ottavat vastaan kaukaisten planeettojen lähettämää lämpösäteilyä ja kuvatessaan määrittävät myös niiden lämpötilan.
Lisäksi infrapunasäteily sisältää informaatiota planeettojen ilmanlaadusta. Teleskoopin työkalupakkiin kuuluvat spektrografit hajottavat infrapunasäteilyn eri aallonpituuksiksi, joista puolestaan saadaan tietoa siitä, millainen kaasukehän koostumus on.
Tällä tutkimustavalla päästään jyvälle siitä, millaiset elinolosuhteet planeetta tarjoaa, ja saatetaan jopa löytää aineita, jotka vihjaavat biologisesta toiminnasta. Webb-teleskoopin odotetaankin auttavan vastaamaan kysymykseen, olemmeko yksin maailmankaikkeudessa.
Myös toisen maailmankaikkeuden suuren salaisuuden paljastaminen vaatii mittavaa infrapuna-avaruusteleskooppia. Ilman sitä tähtitieteilijät eivät pysty näkemään niitä varhaisia tähtiä, jotka syttyivät maailmankaikkeuden lapsuudessa.
Vanhin valo näkyviin
Se valo, jota ensimmäiseet tähdet ja galaksit lähettivät yli 13 miljardia vuotta sitten, ei ole enää näkyvää. Sitä mukaa kuin maailmankaikkeus on laajentunut, valoaallot ovat venyneet, joten niiden aallonpituus on suurentunut.
Siten näkyvästä valosta on tullut infrapunasäteilyä, jonka eri aallonpituuksia uusi avaruusteleskooppi on suunniteltu ottamaan vastaan.
5 arvoitusta odottaa Webb-teleskooppia
Tuhannet astrofyysikot haaveilevat mahdollisuudesta käyttää työssään hyväksi Webb-teleskooppia. Heidän tavoitteenaan on vastata tähtitieteen suuriin avoimiin kysymyksiin.
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.
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.
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.
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.
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.
Tähtitieteilijät otaksuvat ensimmäisten tähtien olleen aivan toisenlaisia kuin nykyään taivaalla tuikkivat tähdet, sillä tuolloin alkuainekoostumus oli erilainen. Maailmankaikkeus koostui lähinnä vedystä ja heliumista.
Tähdet saattoivat olla äärimmäisen suuria, kirkkaita ja lyhytikäisiä. Niitä ei voida nähdä Hubble-teleskoopilla eikä muillakaan nykyisillä kaukoputkilla, mutta Webb-teleskoopin pitäisi kyetä vangitsemaan varhaisten tähtien ja galaksien valoa.
Jättiläisantennit valmiina
Infrapunanäkönsä ansiosta teleskooppi on eräänlainen aikakone, joka tuo maailmankaikkeuden koko historian tutkijoiden ulottuville. 1,5 miljoonan kilometrin päässä sijaitsevasta havainnointipaikastaan teleskooppi välittää dataa Maahan Nasan Australiassa, Espanjassa ja Yhdysvalloissa toimivan Deep Space Network -radioteleskooppiverkoston kautta.
Suurimpien antennien halkaisija on 70 metriä, joten pitkästä välimatkasta huolimatta teleskooppien radiosignaalien vastaanottamisen pitäisi sujua ongelmitta.
Mutta ennen kuin Webb-teleskooppi voi alkaa lähettää käänteentekevää tietoa tutkijoille, sen on päästävä perille. Mikään ei saa nyt mennä vikaan.
VIDEO: Seuraa James Webb -teleskoopin matkaa vaihe vaiheelta
Tämä hieno animaatio näyttää, kuinka Webb-teleskoopin 29 vuorokautta kestävä matka tarkalleen etenee.
Jos kantoraketti räjähtää laukaisun aikana, aurinkokilpi ei avaudu kunnolla tai peilit eivät hakeudu avaruudessa oikeille paikoilleen, kymmenen miljardin dollarin hankkeessa, johon on osallistunut tuhansia henkilöitä, vedetään vesiperä. Ketään ei voida lähettää korjaamaan teleskooppia sen jälkeen, kun se on lähtenyt matkaan.
Laukaisun jälkeiset kuukaudet ovat hermoja raastavan jännittäviä, mutta parhaassa tapauksessa palkkio on ruhtinaallinen: runsaasti uutta tietoa maailmankaikkeudesta.
