Tizenegymilliárd dollárba került, és újra fogja írni a kozmikus történelmet

A tudományban sok áttörést egy-egy méréstechnikai áttörés előzött meg. A James Webb űrtávcsőtől sem várunk kevesebbet, az általa kapott eredmények új, akár jelenleg nem is létező tudományágak születéséhez is vezetnek. A univerzum korai szakaszától, a bolygók születésen keresztül, a sötét energiáról és a sötét anyagról is olyan felfedezések jöhetnek tőle, amik alapjaiban változtatják majd meg a világképünket, mondja Detre Örs Hunor, az amerikai–európai–kanadai koprodukcióban készült űrtávcsőről beszélgetve.

A 31,5 éve fellőtt, még mindig működésben levő űrtávcső az első és legismertebb a négy, nagy teljesítményű űrtávcsőből álló Nagy obszervatóriumok sorozatnak. A Hubble szolgálatba állása óriási előrelépés volt a csillagászat szempontjából, előtte ugyanis csak a Földről, a földi légkör szűrőjén át lehetett vizsgálni a minket körülvevő világegyetemet. A Hubble-lel viszont bármely földi obszervatóriumnál nagyobb felbontású képek készítése vált lehetségessé, lényegesen kisebb háttérfény mellett, illetve a földi távcsövek feletti légkör zavaró hatásai nélkül. Utóbbi főleg nagy dolog: a légkör bizonyos hullámhosszokon nem enged át fényt, elnyeli vagy szétszórja azt (a bőrünk nagy örömére például emiatt az UV nagy része nem ér el minket), de emellett a légkörnek olyan turbulens hatása is van, mintha lángon keresztül néznénk valamit – ám az űrben ezzel sem kell törődni. A Hubble fellövése óta egyébként kifejlesztették a földi távcsövekre az adaptív optikákat, amik kiküszöbölik a légköri turbulenciák hatásait, és mivel már vannak 10 méter körüli távcsőtükrök is, a földi óriástávcsövekkel most már élesebb képek készülnek, mint a Hubble-lel. Ez a három évtizednyi technikai fejlődés vértezi fel a Webbet is.

A közeli infravörös, látható fény és ultraibolya tartományban észlelő Hubble fontosabb tudományos eredményeit elég hosszan lehetne sorolni, most csak pár lényegesebbet emelnénk ki:

• Segített meghatározni a világegyetem korát, amely a mai ismereteink szerint 13,8 milliárd év, ez nagyjából a háromszorosa a Föld korának.
• Segített meghatározni a világegyetem tágulási sebességét, sőt, a Hubble segítségével jöttek rá tudósok arra is, hogy gyorsuló sebességgel tágul a világegyetem, és hogy emögött egy titokzatos erő, a rendkívül misztikus nevet kapó sötét energia van.
• Stílusosan a távcső névadó csillagásza, az Edwin Hubble által felfedezett törvényt is pontosította: eszerint a galaxisok távolodási sebessége arányos a távolságukkal, tehát minél messzebb vannak, annál gyorsabban távolodnak.
• Létrehozta a sötét anyag háromdimenziós térképét.
• Pontosította a modelljeinket arról, mi történik a szupernóvák robbanásakor.
• Felfedezte, hogy majdnem minden nagyobb galaxis középpontjában egy fekete lyuk van.
• Óriási segítséget nyújtott a Naprendszeren kívül található bolygók, az úgynevezett exobolygók tanulmányozásához.

A világegyetem korához visszatérve, a Hubble által észlelt legtávolabbi galaxis a frappáns GN-z11 nevet viseli. Távolsága 13,4 milliárd fényév, ami azt jelenti, hogy 13,4 milliárd évet utazott a fénye, hogy hozzánk érjen. Ily módon az univerzum kezdetétől számolva összesen 400 millió éves, szinte csecsemőkorú volt, amikor ezek a fotonok elindultak felénk hosszú útjukra. A vizsgálata tehát a világegyetem legkorábbi időszakából ad számunkra ismereteket.

A JWST ennél is tovább megy, a várakozások szerint az ősrobbanás után 250 millió évre is vissza tud majd tekinteni. Ez a nagyjából 150, de még elnagyolva is pár száz millió év nem tűnik soknak, csillagászati szempontból viszont óriási jelentősége van. „Mit számít néhány százmillió év barátok között? Valójában ez a különbség annyit tesz, hogy meglátjuk az első, valaha létre jött csillagokat, vagy mondjuk egy kicsit lekéssük a temetésüket” – mondta Caitlin Casey, a Texas Egyetem csillagásza a Voxnak.

Ez igencsak nagy ugrás lesz csillagászati szempontból, de nem ez az egyetlen dolog, amiben a James Webb űrteleszkóp messze túlszárnyalja a Hubble-t. Önmagában a főtükre 6,5 méter átmérőjű, szemben a Hubble 2,4 méter átmérőjű tükrével, de legalább ilyen lényeges különbség az is, hogy míg a Hubble észlelési tartománya alig csúszik bele a közeli infravörösbe, addig a James Webb a vöröstől a közép infravörösig tartó szegmensben kezdi jól érezni magát.

A jelentősen megnövelt méret összefüggésben van azzal, hogy a Webb és a Hubble más tartományban dolgozik. „A csillagászatban a méret a lényeg” – mondja Detre arra, hogy miért lett átmérőben háromszor, a tükör területét nézve hét-nyolcszor akkora a Webb. Mindez a felbontással is összefüggésben van, ami két dologtól függ: a távcső átmérőjétől és a vizsgált hullámhossztól. „Minél nagyobb az átmérő, annál nagyobb a felbontás. Ezzel egy időben viszont minél hosszabb a fény hullámhossza, annál kisebb a felbontás. Tehát ha háromszor olyan hosszú hullámhosszon kell mérned, de azonos felbontást szeretnél, akkor háromszor akkora távcsövet kell csinálnod. Ezért van az, hogy a felbontást nézve a 6,5 méteres Webb körülbelül ugyanannyit fog tudni infravörösben, mint a Hubble optikai tartományban. Az érzékenység viszont négyzetesen nő az átmérővel, azaz lineárisan a tükör területével. Minél nagyobb a teleszkópod tükre, annál több fotont gyűjt össze.”

Ez, hogy még több foton befogására képes, extrém fontos, mert nagyon halványak a távoli objektumok. Érdekes közbevetéssel próbálta szemléltetni az érzékenység szerepét Detre, amikor arról beszélt, hogy a rádiócsillagászat utóbbi 40 évében az összes ember alkotta rádióteleszkóp által összegyűjtött minden mikrohullámú energiával egy centiliter víznek nem lehetne egy fokkal megemelni a hőmérsékletét. Másik hasonlat a Hubble eXtreme Deep Field legtávolabbi galaxisainak fénye, amik 10 milliárdszor gyengébbek az emberi szem érzékenységénél. Ezért annyira fontos a befogott fénymennyiség növelése.

Pont ez a méretnövelés hátrány is lehet, bizonyos égitestek ugyanis annyira fényesek a Webb szempontjából, hogy muszáj őket elkerülni, mert egyszerűen veszélyt jelentenének az érzékeny detektorokra. Az elkerülés nemcsak annyiból áll, hogy nem vizsgálhatják, hanem a teleszkóp egyik célpontról másikra való átállása közben sem fordulhat véletlenül a „túl fényes” égitestek felé, tehát a napi menetrend optimalizálásakor ilyen tényezőkkel is számolni kell.

A nagyobb tükör jelentősége egy 1995-ben, a Hubble által készített kísérleti kép alapján érződik legjobban, ez a Hubble Deep Field. Bob Williams csillagász egy egészen furcsa ötlettel állt elő, amikor azt kérte, hogy 100 órán át szó szerint a semmibe, a világegyetem egy teljesen feketének látszó pontja felé irányítsák a Hubble-t. A pont itt jól leíró kifejezés, a megfigyelt terület ugyanis nagyjából akkora volt, mint amennyit lefed egy, a kinyújtott kezünkben tartott gombostű gombja. (A hivatalos számok kedvelőinek idetesszük, hogy az égbolt 24 milliomod részéről beszélünk.)

Williams annyira biztos volt a dolgában, hogy kijelentette, ha mégis elszúrják, és semmi sem látszik a képen, kész „a kardjába dőlni” és lemond. Sem kardra, sem lemondásra nem volt szükség, a 100 órás megfigyelés vége ugyanis a Hubble egyik legfontosabb felfedezése lett – azon a területen, ahol korábban úgy hitték, nincs semmi, kiderült, hogy több ezer galaxis rejtőzik, ami után újra kellett számolni, hogy hány galaxis is létezhet.

Ennél is fontosabb volt a kép feldolgozása. Bár az egész kétdimenziósnak tűnik, értelemszerűen egy térbeli forma leképezése, vagyis olyan, mint egy fúrásminta, csak épp az űrből véve. A kép előterében a hozzánk térben és időben közelebbi galaxisok vannak, ezek formája elegáns spirál, ahogy a tankönyvekben le szokták ezeket rajzolni. Pár milliárd évvel távolabbra nézve szabálytalanabb, tojásdad formájú galaxisokat látni, még távolabb, még korábban pedig a Hubble képén alig kivehető foltok vagy pacák vannak – a JWST ezeket a rendkívül fiatal galaxisokat és bennük a csillagokat is meg tudja majd mutatni.

– teszi hozzá Detre.

Sokat szerepelt (és szerepel) a Hubble neve a cikkben, mert ez annyira ismert, hogy érdemes ugródeszkának használni a Webb jelentőségének elmagyarázásához. Az viszont nem állja meg a helyét, amit sok helyen lehet olvasni, hogy a Webb leváltja a Hubble-t. Már csak azért sem, mert a Webb infravörös tartományban kutat majd, szemben a Hubble-lel. Igazán érdekes objektumoknál reménykedünk a két teleszkóp párhuzamos használatában is. „Minden egyes új műszer megadja a lehetőséget arra, hogy valami olyan dolgot lássunk, amit eddig nem, vagy rájöjjünk, hogy valamit rosszul tudtunk. Éppen ezért fontos az innováció a műszertechnikában” – teszi hozzá Detre.

Ahol viszont összeér a Webb és a Hubble munkája – remélhetőleg sokáig húzza a Hubble, hogy minél többet lehessen közösen használni a két teleszkópot –, azok a legizgalmasabb, előre nem jelezhető események, amiket a legjobb egyszerre vizuálisan és infravörösben is látni. Ilyenek például a szupernóva-kitörések, amiket pár másodperccel, esetleg pár tíz másodperccel előre jelezhet gamma- vagy röntgensugárzás. „Ilyenkor képzeletben megnyomnak egy nagy vörös gombot (elküldenek egy emailt egy különleges listára), hogy riadó, mindenki keresse az utófénylését mondjuk egy szupernóvának, vagy fekete lyuk, vagy neutroncsillagok összeolvadásának, nagyjából ebben és ebben az irányban. Ilyen »red alert« észlelések földi távcsöveknél szinte rutinszerűen történnek. Ekkor megpróbálják arra irányítani a távcsövet, amerre ez a ritka, nem visszatérő esemény történik. Semmi sem adott, először is abban kell reménykedni, hogy egyáltalán megtalálják magát az eseményt, aztán pedig abban, hogy ha megtalálták, akkor az adott műszerrel több információt kapnak. Ilyen – ha ritkábban is –, de megtörtént űrtávcsöveknél, amikor épp közvetlen kapcsolat volt az űrtávcsővel és megszakítható volt az aktuális mérés.”

A JWST feladata, hogy eddig megválaszolatlan kérdésekre adjon választ azzal, hogy olyan dolgokat kutat, amire eddig esélyünk sem volt. Mindezt négy fő kutatási irányban teszi, amelyeket nagyjából így lehet összefoglalni:

1. Az első fények felfedezése és a világegyetem reionizációjának vizsgálata

Ahogy korábban már írtuk, a Hubble segítségével 13,4 milliárd évvel ezelőtti állapotot lehet megfigyelni, a James Webb viszont 13,6 milliárd évvel ezelőttre is ellát majd. Az időgép fogalma itt persze nem a sci-fikből ismert módon jelentkezik, hanem úgy, hogy a Webb által észlelendő fotonok egy része annyira távolról érkezik, hogy 13,6 milliárd évvel ezelőtt, nem sokkal az ősrobbanás után indult el.

Itt jön képbe, hogy a Webb az infratartományban észlel: ismerkedjünk meg a vöröseltolódás kifejezésével. Ha hallottunk már előbb hozzánk közeledő, majd tőlünk távolodó szirénázó mentő-, rendőr- vagy tűzoltóautót, ismerős lehet a jelenség, miszerint felénk haladva más hangot ad ki a sziréna, mint tőlünk távolodva. A közeledő sziréna hangját magasabb, a távolodóét alacsonyabb frekvencián halljuk. Ezt a hangjelenséget Doppler-effektusnak nevezik. Más a jelenség alapja, de hasonló effektet tapasztalunk a fényeknél, amikor egy tőlünk távolodó, látható fényben sugárzó csillag vagy galaxis fénye látszólag az alacsonyabb frekvenciák, azaz vörös szín felé mozdul el. Ezt hívjuk vöröseltolódásnak. Tehát ha nagyon-nagyon messzi, ezért nagyon gyorsan távolodó galaxisokat akarunk látni, akkor ezek már ki is „csúszhatnak” a látható spektrumból, és infravörösben kell kutatnunk. Ezt teszi a Webb is majd.

A tudósok reményei szerint a Webb még a fent említett 13,6 milliárd évnél is távolabbra, ennél is korábbra ellát majd. Az ősrobbanás utáni első szakaszokban a világegyetem részecskék (például elektronok, protonok és neutronok) tengere volt, és a fény nem volt látható, amíg a világegyetem le nem hűlt annyira, hogy ezek a részecskék elkezdjenek egyesülni. Egy másik dolog, amit a JWST vizsgálni fog, az az, hogy mi történt az első csillagok kialakulása után; ezt a korszakot „a reionizáció korszakának” nevezik, mert arra utal, amikor a semleges hidrogén reionizálódott (újra elektromos töltést kapott) az első csillagokból származó sugárzás hatására. Vagyis az első csillagok, illetve galaxisok megjelenése ismét fényt hozott a világűrbe, és ez a fény ionizálta az intergalaktikus tér gázatomjait úgy, hogy ellopta tőlük az elektronjaikat. Mondhatni, ezeknek a csillagoknak köszönhetően szállt fel a korai köd.

És hogy miért érdekes a világegyetem születése? Mert minél többet tudunk róla, annál többet zárhatunk ki a mostani elméleteink közül, miután egyikről vagy másikról beigazolódik a kutatási eredmények alapján, hogy nem lehetségesek, magyarázza Detre. „Ebben hatalmas ugrás lesz a James Webb, mind az első galaxisok, mind az első csillagok, mind a bolygók keletkezésének terén, ezeket ugyanis csak infravörösben lehet látni.”

2. Az első galaxisok formálódása

Ugyancsak a Webb (és a Hubble) „időutazós” képessége jön képbe ennél a pontnál. Ha az első csillagok születését láthatja a Webb, akkor az első galaxisok születését is meg tudja figyelni, így közvetve azt is vizsgálni tudja, hogy miért és hogyan változott az anyag és a sötét anyag szerkezete a világegyetemben.

A ma látható spirális és elliptikus galaxisok évmilliárdok alatt alakultak ki különböző formákból; a JWST egyik célja, hogy visszatekintsen a legkorábbi galaxisokra, hogy jobban megértsük ezt a fejlődést. A tudósok azt is megpróbálják kideríteni, hogyan alakult ki a ma látható galaxisok sokfélesége, valamint a galaxisok kialakulásának és összeállásának jelenlegi módja.

3. Megfigyelheti a jelenleg keletkező csillagok születését

Az infravörös tartományban való észlelésnek van még egy, az időutazás mellett fontos szerepe. A Hubble ugyanis nem lát át a csillagközi ködökön, márpedig a fiatal, épp most születő csillagokat rendre ez veszi körül. Az infravörös fény viszont jobban átjut ezeken és azokon a kozmikus porburkokon is, amikből a fiatal csillagok körül később a bolygók formálódnak.

4. Az exobolygók és az élet születése

Ez egyértelműen a hétköznapi szempontból legjobban megfogható kutatási terület, hiszen a fentiekhez képest sokkal könnyebben elképzelhető egy, a Naprendszeren kívüli bolygó, vagy épp az, ahogy a földön kívüli élet jeleit kutatjuk. A Webb viszont nemcsak azt tudja majd vizsgálni, hogy egy adott exobolygó milyen típusú, de a spektrográfiai műszereinek köszönhetően bizonyos esetekben millió, milliárd fényév távolságból meg tudja állapítani, hogy az adott bolygó légkörét mi alkotja. Így a kutatók következtetni tudnak rá, hogy a kérdéses exobolygó alkalmas-e az élet kialakulására. A spektrográfiában kevésbé jártasoknak úgy kell ezt elképzelni, hogy például egy prizmával felbontva a gáz színképét, éles vonalakat látunk egy színskálán. Ezek a vonalak egyediek, minden gáznak van egy ilyen „ujjlenyomata” – így lehet analizálni, hogy milyen gázok alkotják egy nagyon távoli bolygó légkörét, de meg lehet becsülni akár azok hőmérsékletét vagy azt is, hogy milyen mágneses térben levő gázok keverékét látjuk.

Persze nem csak az élet után kutatnak, a Webb egyik korai megfigyelése azt a K2-141b nevű bolygót veszi célba, amely annyira közel kering a saját csillagához (K2-141), hogy a bolygó jelentős részét olvadt láva képezi, a felhői pedig lehet, hogy olyan ásványokból állnak, amelyek elpárologtak a felszínéről.

A mérete valóban hatalmas, a Webbet védő pajzs területe ugyanis nagyjából akkora, mint egy teniszpálya. Ez a pajzs a legtöbb ábrázoláson a főtükör alatt látható öt rétegből álló, kaptonból készült rész. Ez az anyag egyrészt nagy hőállóságáról és széles hőmérsékleti tartományban való stabilitásáról ismert. Mindkettő nagyon jól jön az űrben a Webbnek, mert a pajzs Nap felé néző oldala akár a plusz 110 Celsius-fokot is elérheti, de a másik oldala akár -236 Celsius-fokos hőmérsékletű is lehet.

A működés szempontjából elengedhetetlen a meghajtást, az elektromosságot, a kommunikációt, az irányítást, a hűtést-fűtést és az adatfeldolgozást magában foglaló egység, de természetesen a legfontosabb

Az űrbe küldött valaha volt legnagyobb tükröt ez a 18, egyenként 1,32 méter átmérőjű, arany bevonatú berillium szegmens alkotja. Azért esett a választás a berilliumra, mert egyrészt meglehetősen könnyű – a 18 hatszög darabja, egyenként nagyjából 40 kilót nyomnak –, másrészt kifejezetten jól bírja az űr jelentette extrém hideget annak köszönhetően, hogy kevésbé deformálódik és húzódik össze.

És hogy miért arany? Mert az arany alapból rendkívül jó tükrözőképességgel bír, de ami itt különösen fontos, hogy ezt a tulajdonságát elég széles hullámhossztartományban tudja hozni. Az aranybevonatnak köszönhetően a Webb tükre a beérkező fotonok 98%-át visszaveri, aminél nem könnyű jobbat alkotni.

Persze az sem mindegy, hogy ezt a 98%-ot milyen pontossággal veri vissza. A tükröt olyan precízen kellett csiszolni, hogy az egészen új értelmet adott a tükörsima kifejezésnek. Hogy miről is beszélünk, azt a tipikus hajszálpontosság-hasonlattal is nehéz érzékeltetni. Ugyanis a hajszál tízezred részének precizitását a csiszolásnál kevesen tudják elképzelni.

Ezért inkább képzeljük el, hogy a Webb tükre akkora, mint egy teljes kontinens, de annyira simára lett csiszolva, hogy a teljes kontinens felületén a legnagyobb domb vagy mélyedés sem érne a bokánkig.

Ez önmagában sem könnyű feladat, de az elkészítését tovább nehezíti, hogy a csiszolást csak szobahőmérsékleten lehet elvégezni, de a Webb tükrei -220 Celsius-foknál is hidegebb körülmények között fognak működni, ami további, rettentő bonyolult finomítást igényelnek. A szobahőmérsékleten lecsiszolt tükrön -230 Celsius-fokra hűtve, a hajszál ezredét jelentő pontossággal mérték ki a torzulást, hogy aztán újra szobahőmérsékleten ezeknek a mért hibáknak az inverzét csiszolják a tükör paneljeibe, hogy az lehűtött állapotban tökéletes legyen. Vagyis szobahőmérsékleten szabad szemmel még jó, de csillagászati szempontból használhatatlan tükröt kell létrehozni – vette végig a bonyolult folyamatot Detre.

A 18, végtelenül simára csiszolt tükör persze semmit nem ér, ha a fellövés közben, a rakéta belsejében rázkódva minden elállítódik, ezért a tükör minden részét apró motorokkal utólag be lehet kalibrálni, amihez a Webb négy tudományos műszerének egyikét, a NIRCamet használják majd – erről, illetve a három másik eszközről később részletesen is értekezünk Detre segítségével.

Stílusos, hogy végül a Föld leginkább kalóriaérzékeny időszakában, pont karácsony környékén lövik fel a Webbet, a mérlegelés ugyanis az űrteleszkóp szempontjából is kritikus. Ahogy említettük, a tükröt főként berillium alkotja, de a súlyon való spórolás az egész eszközre kihatással volt – nem csoda, a Webb ugyanis egy hasonló méretű földi obszervatórium súlyának alig a 2%-át nyomja.

Pont a minél könnyebb szerkezet miatt készült végül öt, hatalmas lepedőnyi kaptonból a pajzs, ez viszont újabb, egészen szokatlan problémákat vetett fel. A nagyon vékony, fóliaszerű réteg ugyanis mérnöki szakszóval nem determinisztikus, vagyis a mozgását nem lehet tökéletesen irányítani vagy megjósolni. Már a teniszpálya méretű pajzs – sőt, maga a főtükör – sem fér be egy konvencionális rakétába, ezért az egészet össze kellett hajtogatni. Ha pedig ez a napellenző kibontás közben megakad, az egész teleszkóp megy a levesbe, és a világ legdrágább űrszemétjévé válik.

„A négy műszert három típusra lehet osztani. Van kamera, ami képeket készít, ezt nem is nagyon kell magyarázni. Van olyan kamera, amelynél kitakarják a kép közepét, ez a koronográf. A lényege, hogy a csillag fényének nagyját ki lehet takarni, láthatóvá téve ennek halvány környezetét. Végül van a spektrográf, ami rengeteg információt ad, az ott található gázokról, anyagokról” – kezdi Detre.

A NIRCam (Near-Infrared Camera, közeli infravörös kamera) egy olyan kamera, amely a látható fény és a közeli infravörös tartományában (0,6–5 mikrométer) mér, és elsősorban a közeli galaxisok és a Tejútrendszeren belüli csillagok fényét fogja vizsgálni. Emellett olyan csillagok és galaxisok fényét is keresi majd, amelyek az univerzum életének korai szakaszában keletkeztek. A NIRCam koronográfokkal is fel van szerelve, amelyek képesek elzárni egy fényes objektum fényét, így láthatóvá téve a csillagok közelében lévő halványabb objektumokat (például bolygókat, porkorongokat). Ezt nagyjából úgy kell elképzelni, mint amikor mi a kezünkkel takarjuk el a napot, hogy a vakító fénytől megszabadulva jobban lássunk.

A NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), ahogy a nevéből is látszik, szintén közeli infravörös tartományban végez, de spektroszkópiai méréseket. Ez egyszerre akár 100 objektumot is képes lesz megfigyelni. Többek közt az ősrobbanás után keletkezett első galaxisok anyagösszetételét kutatja majd. Ilyen, a spektrumok tömeges felvételét lehetővé tévő műszer egyébként először repül majd az űrben.

A MIRI (Mid-Infrared Instrument) a Hubble asztrofotós hagyományait követve csodálatos űrfelvételeket készít majd távoli és hűvös objektumokról. A műszer részét képező spektrográf segítségével a tudósok még több részletet gyűjthetnek a világegyetem távoli objektumairól. A MIRI távoli galaxisokat, halvány üstökösöket, formálódó csillagokat és a Kuiper-övben lévő objektumokat fog észlelni. Egy tíz ország egyetemeit és kutatóintézeteit összefogó európai konzorcium és a NASA Jet Propulsion Laboratory közösen építette, ezen dolgozott 14 éven át kozmikus segítőnk, Detre is.

A MIRI-vel kapcsolatban érdemes megjegyezni, hogy az egyetlen műszer, ami közép infravörös tartományban is lát, épp ezért mindennel fel lett szerelve: egyszerre kamera, spektrográf és koronográf is, lesz tehát dolga bőven. Ahhoz, hogy el tudja látni a feladatát, 6 kelvinre, vagyis -267 Celsius-fokra kell hűteni. Miért? Bármi, ami nem 0 kelvin, azaz -273 Celsius-fokos, az fényt bocsát ki. Ezt könnyű megérteni, ha egy darab fémet felmelegítünk egészen kékes izzásig, majd hagyjuk kihűlni. Ekkor lassan hűlve sárgásan, majd végül vörösen izzik. Ezután a szemünk már nem látja, de valójában még infravörösben izzik, majd tovább hűlve közép infravörösben, majd távoliban és így tovább. Ezt látják a hőkamerák, amilyen valójában a MIRI is. Ha maga a MIRI melegebb lenne, mint 6 kelvin, akkor a saját ragyogása vakítaná el az érzékeny detektorait. Ezért az egyetlen aktívan hűtött műszer a négy közül – tette hozzá Detre.

A hőkamera-hasonlatot azért nem a megszokott léptékkel kell elképzelni: „a MIRI-nek a -180 Celsius-fokos objektumok fénye is látható lesz, de egy 0 Celsius-fokos jégdarab már szinte vakítóan forró” – mondja Detre, aki hozzáteszi, hogy a MIRI olyan érzékeny, hogy egy öklömnyi hógolyó hőjének ragyogása számára Bécs–Budapest-távolságból gyönyörűen látható lenne.

De a MIRI egy, tőle a Föld–Hold-távolsággal megegyező messzeségben lebegő dongó által visszavert napfényt, illetve sugárzott hőt is képes lenne érzékelni. Ezt a Nobel-díjas John Mather mondja egy, a távcsövet megépítő Northrop Grumman által készített filmben – ő egyébként a Webb mellett is vezető feladatokat látott el tudományos oldalról.

Mindez persze nem kis kihívás a Webb hűtőrendszerének, a napfénytől védő pajzs ugyanis „csak” mínusz 233 fokon tudja passzívan hűteni a távcsövet, a további 30 fokos hideget egy plusz hűtőnek kell létrehoznia. Részben ezért, részben a Webb bevetési helyének köszönhetően nem a megszokott módon hűtik a rendszert, vagyis nem folyamatosan párolgó folyékony héliummal, hanem egy olyasmi rendszerrel, mint amilyen elven a hűtő vagy a légkondicionáló is működik: a kitáguló gáz hőt von el, ez biztosítja a hűtést, majd ezt a gázt később kompresszorral visszasűrítik, és minden indulhat elölről. A NASA Jet Propulsion Laboratoryjában, a kriogenikus hűtésért felelő részlegen dolgozó Konstantin Penanen hétköznapi hasonlattal érzékeltette a két módszer közti különbséget: „Az italokat lehűthetjük egy jéggel teli vödörben, vagy betehetjük őket egy hűtőszekrénybe. A mi kriohűtőnk egyenértékű a hűtőszekrényes opcióval.”

Nem ejtettünk még szót az úgynevezett FGS/NIRISS-ről, azaz Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrographról, ami igazából olyan, mintha két eszközt egybeépítettek volna. Ezek közül az FGS komponens felelős azért, hogy az űrtávcsövet pontosan a megfelelő irányba tartsa a tudományos vizsgálatok során. A NIRISS a kozmoszt fürkészi, hogy megtalálja az univerzum első fényének jeleit, idegen bolygókat keressen, és feltérképezze azok tulajdonságait.

„A Webb négy műszeréből három spektrográf, vagy részben spektrográf is. Ez nem véletlen. A szép képeket mindenki, így mi, csillagászok is szeretjük. De a színképek a csillagászoknak még ennél is több információt rejtenek magukban. Fontos szerepük van például a – Webb nézőpontjából – csillaga előtt elhaladó bolygók légkörének vizsgálatában is. A csillag fényének egy nagyon apró töredéke ekkor a bolygó légkörén halad át, megmutatva az ott lévő gázok ujjlenyomatát. A spektrográf által készített spektrum meg tudja állapítani, milyen atomok és milyen arányban alkotják a légkört, sőt, még a hőmérsékletüket is. Persze ehhez rettentő pontos és stabil mérésekre van szükség, mert a csillaghoz képest a bolygó igen apró, ezért az előtte való elhaladáskor változás is az” – tudtuk meg Detrétől.

A MIRI-csoportban találhatóak még magyarok, például Tamás László, a MIRI európai projektmenedzsere 2019 óta a UK Astronomy Technology Centre alkalmazásában. Vagy ott van az arizonai egyetemen dolgozó Gáspár András, aki a MIRI detektorok belső diffrakciójának a modellezésén dolgozott, és a tudományos csapat tagjaként 50 órányi garantált és 10 órányi pályázott távcsőidővel a csillagok körüli törmelékkorongokat és a Tejútrendszer közepén lévő SgrA* fekete lyukat fogják vizsgálni. „Örülök, amikor együtt dolgozhatok velük. Meg kell mondjam, fura, de szívet melengető érzés, amikor hirtelen egy hivatalos meeting átválthat magyar nyelvre. Kicsit úgy érzem ilyenkor magam, ahogy a Manhattan atombomba projekt magyar fizikusai érezhették, amikor az utolsó amerikai is elhagyta a meetinget, és visszatérhettek az amerikai kollegák szerint fura, a magyarok marsi eredetét bizonyító, titkos nyelvükre” – tette hozzá Detre.

Ezeken a műszereken egyébként nemcsak dolgoztak, de a későbbiekben is fognak dolgozni magyar tudósok, csak már nem a tervezés, fejlesztés, építés, hanem a tudományos megfigyelés oldaláról. A Qubit gyűjtötte össze, hogy a cikkünk elkészülésében Detre mellett segítséget nyújtó Ábrahám Péter, a CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetből munkatársaival az EX Lupi csillag körüli porból és gázokból álló akkréciós korong jellemzőit fogja vizsgálni a James Webb-bel. A Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének tudományos munkatársa, Szalai Tamás pedig több kollégájával együtt szupernóva-robbanások csillagközi por formálódásához vezető utóhatásait derítheti fel a teleszkóppal.

Azt viszont lehetetlen megjósolni, hogy melyik eszköz melyik vizsgálata hozhatja az első igazán nagy áttörést, azt pedig végképp, hogy mikor. „Ha lehet előre kívánni, olyan eredményeket szeretnénk, amiket nem várunk. Régen szó szerint megégették az embert, ha olyan eredményre jutott, amire senki nem számított, amit senki nem értett, ma viszont ezek a legizgalmasabb eredmények. Éppen ezért nem lehet megmondani, miből lesz hatalmas felfedezés, mi lesz az, aminél felkiáltunk, hogy úristen, abszolút nem ezt vártam. Ez lehet egy egészen apró mérés is akár” – tekintett a jövőbe Detre.

A James Webb egyik halmazba sem esik, a célja ugyanis ez egyik – egészen pontosan a 2-es – Lagrange-pont (vagy librációs pont), amiből összesen öt van. Ezek a csillagászatban a tér olyan pontjait jelentik, ahol egy kis test két, egymás körül keringő nagyobb test együttes gravitációs vonzásának hatására azokhoz képest közelítőleg nyugalomban maradhat. A két nagyobb égitest jelen esetben a Nap és a Föld, az L2 pedig a Napot a Földdel összekötő egyenes meghosszabbításán, a Földtől nagyjából 1,5 millió kilométerre található. Ide nagyjából 29-30 napos út alatt ér majd el a James Webb, amely űrbéli virágként nyílik majd ki a rakétába csomagolt állapotából. Ez az önkicsomagolás egyébként az egész űrtávcső életének legkockázatosabb időszaka, ha valami nem jól sül el, javítási lehetőség nem sok van.

„Olyan ez a teleszkóp, mint a sci-fi-filmekből ismert Transformers autobotok. Összecsomagolva küldjük fel, és ott egy robotként, lépésről lépésre átalakul. Ez magában is nehéz, de mindezt úgy teszi, hogy előtte hihetetlen módon szétrázzuk egy rakétával. Főhősünknek ezután a hajszál ezredének pontosságával kell tudnia kinyílnia. Ehhez olyan technikák kellettek, amilyeneket még sosem alkalmaztunk az űrben” – mutat rá a művelet kihívásaira Detre.

A kicsomagolás mellett a különböző kalibrációkat is az út megtétele közben végzi majd, míg az első tudományos felvételekre a fellövés után legkorábban hat hónappal számíthatunk. És ha már a fellövés: a James Webb űrtávcsövet egy Ariane 5 rakéta emeli majd a magasba. Elsősorban azért esett a választás erre a típusra, mert az egyik legmegbízhatóbb rakétáról beszélünk, amely az eddigi 111 fellövésből 106-szor volt sikeres, 2003 áprilisa és 2017 decembere között például sorban 82 alkalommal ment minden hibátlanul. Egy több mint 10 milliárd dolláros eszköz esetében pedig nem lehet elég biztosra menni.

Mint említettük, a Webb egyébként nem pontosan az L2-t célozza meg, hanem akörül kering majd. „Probléma is lenne, ha pontosan az L2-ben lenne, ugyanis itt a Föld takarná a napcelláit, veszélyeztetve az akkumulátorok töltését. Az ilyen űrbéli napfogyatkozást mindenképp el kell kerülnünk, mert gyakorlatilag erről van szó. Azt viszont kihasználjuk, hogy a Nap és a Föld mindig a pajzs egy oldalán van, ugyanis még a Föld fénye is rettentően zavarná a kényes csillagászati megfigyeléseket” – mondta Detre.

Azzal viszont, hogy 1,5 millió kilométerre küldjük el a Webbet, nem lesz lehetőség utólagos szerelésre. A már több mint 30 éve szolgálatban levő Hubble-nél eredetileg tízéves küldetéssel számoltak, de még az optimisták is csak 15 éves küldetésben bíztak úgy, hogy a közelsége és a Hubble-t sokáig kiszolgáló űrsiklóprogram miatt alapból úgy tervezték meg, hogy javítani, vagy adott esetben fejleszteni is lehessen.

A Webb viszont semmi ilyesmire nem számíthat majd, ha valami tönkremegy benne, vége a dalnak. De legkésőbb akkor, amikor kifogy az üzemanyagból, onnantól kezdve ugyanis nem tudja tartani a pályáját. Ha a fellövés szó szerint hibátlan, és minimális pályaigazításra lesz szüksége, akkor 10 évnél is tovább bírhatja, ha viszont komoly korrekcióval kezdi a pályafutását, lehet, hogy az élettartam inkább az 5 évhez közelít majd.

A 10,8 milliárd dolláros árával a James Webb űrtávcső a legdrágább űreszköz, egyben a harmadik legdrágább publikus űrprojekt, csak a holdra szállás, illetve a Nemzetközi Űrállomás került többe nála, közölte a meghökkentő adatokat Detre. A közel 11 milliárdos költségvetés önmagában is rengeteg, de ha hozzátesszük, hogy ez nagyjából a 2019-es teljes magyar költségvetés hetede, azaz a teljes ország simán elketyeg majdnem két hónapig ebből a pénzből, jobban érezzük, mennyi az annyi.

Detre – ahogy a legtöbb csillagász – elég gyakran megkapja a kérdést, hogy miért is kell a csillagászatra ennyit költeni. A válasz jól mutatja a léptékek közti kapcsolatot: „Ha nem lett volna csillagászat, nem lett volna teleszkóp és optika, így szemüveg sem, sőt, nem lenne se cd, se dvd, se processzor, de számítógépek sem. Ezek mind a csillagászat iránti érdeklődéssel kezdődtek, az optikával. Hasonlóan nem lenne mobiltelefonos kamera sem, ugyanis az első CCD-detektorok is csillagászatiak voltak. De még sorolhatnám… Persze ettől még egy átlag adófizetőnek nem feltétlenül érdekes, hogy mekkora a világegyetem, ha az 10-11 milliárd dollárba kerül. De mint látjuk, a világegyetem méretének megismeréséig tartó úton rengeteg tudományos, és legalább annyi technikai felfedezést teszünk, ami a mindennapokra is komoly hatással van.”

Pedig eredetileg egészen pénztárcabarát űreszköznek indult:

Most meg itt vagyunk 2021-ben, és sokan még most is alig hiszik el, hogy a Webb végre útjára indul, a húszsoros drágulást pedig talán jobb is lenne hagyni. De persze mi nem hagyjuk.

A projekt költségvetése gyorsan, egy év alatt megduplázódott, 2000-re pedig nem hogy 1,8 milliárd dollárra nőtt a büdzsé, de a fellövés tervezett dátuma is 2009-re csúszott 2007-ről. A következő években mind az indítás dátuma, mind a várható költségek folyamatosan csúsztak-növekedtek, az előzetes technikai tervek 2008-as elfogadásakor már 2014-es fellövésnél és 5,1 milliárd dollárnál jártak úgy, hogy 2006-ban az addig elköltött pénz mennyisége is átlépte az egymilliárdos határt. Ebben jelentősen közrejátszott, hogy szinte teljesen új terveket kellett alkotni menet közben. 2013-ban már világos volt, hogy legkorábban 2018-ban lőhetik fel a Webbet, akkor már 8,8 milliárd dolláros költséggel számoltak, ez végül 2021 legvégére – inflációval együtt – 10,8 milliárdnál állt meg.

A költségek túlnyomó részét, nagyjából 9,7 milliárd dollárt a NASA állja, az Európai Űrügynökség (ESA) 0,8 milliárd dollárt tett hozzá, a kanadaiak pedig 160 millió dollárral járultak hozzá a projekthez, rengeteg munka mellett. Részben ennek megfelelően hasonlóan osztoznak a kutatási időn is, Európára 15%, Kanadára 5% jut majd, az idő fennmaradó 80%-ával a NASA rendelkezik, áll a Qubit összesítésében.

Az évek alatt irtózatosan elszálló költségek miatt 2011-ben az is felmerült, hogy az egész projektet inkább elkaszálják, mert nincs értelme befejezni. Akkor Maryland szenátora, Barbara Mikulski kalapozta össze az éppen 8 milliárdnál járó büdzsé hiányzó részét (az űrtávcső fejlesztésének központja a marylandi Goddard Űrközpont volt, ezért a helyi szenátor lépett akcióba.)

A folyamatos drágulás oka egyfelől az volt, hogy az emberiség soha nem alkotott még ennyire komplex eszközt, főleg úgy nem, hogy nem lesz lehetőség utólagos szerelésre. Az eszközök és tesztek terén is számtalan olyat kellett kidolgozni, amelyek korábban nem léteztek, aztán ezekből a tesztekből megszámlálhatatlanul sokat kellett elvégezni, hogy még időben kiderüljön, ha valami nem jól működik. Nem véletlen, hogy még a finisben is volt némi csúszás egy technikai hiba miatt, így előbb december 18-ról december 22-re, majd december 24-re tolták a fellövés időpontját. Aztán az időjárás szólt közbe, ezért december 25-re tették az indítást, de az előrejelzés alapján simán lehet, hogy még későbbre kell tolni a fellövést.

A tesztekhez és felkészüléshez egy érzékletes példa Detrétől: „A fellövést és beüzemelést már évek óta főpróbákon gyakoroljuk. Ezekhez készítettek egy meglepően tökéletes szimulátort a teljes JWST-ről, a fellövésről és mindenről, ami ezután történik. A szimulátor minden műszer minden egyes értékét – és itt több millió értékről beszélünk – úgy jeleníti meg, ahogy az várható lesz. Sőt, a rendszer az összes fájlt is legenerálja, hogy azokat ki tudjuk analizálni az erre készített programjainkkal, hogy egyúttal ezek esetleges utolsó apró hibáit is elkapjuk. (De vannak szimulátorok a tudományos eredmények megjóslására is, hogy tudjuk tesztelni az adatfeldolgozó algoritmusokat.) Ez szinte hihetetlen, mennyi munka. Gondoljunk bele, hogy egy kisebb tűzoltócsapat is mennyit gyakorol, hogy gyorsan és effektíven dolgozzon együtt. Itt több száz, ezer embernek kell közös szívdobbanásra dolgoznia. Ehhez sok gyakorlás kellett, nagyon sok, hogy élesben majd minden flottul menjen.”

A halasztásban és a költségek elszállásában persze az is benne volt, hogy 2005-ben lényegében teljesen újratervezték az eszközt, de a koronavírus-járvány sem segítette a Webb helyzetét.

Az űrtávcsövet eredetileg még Next Generation Space Telescope néven álmodták meg, az első ötlet 1989 környékén született arról, hogy a Hubble fellövése után szükség lesz egy nagyobb, erősebb utódra. Az eszközt a fejlesztése közben, 2002-ben nevezték át a NASA-t 1961–68 között, vagyis a holdra szállás előkészítése idején vezető James E. Webbről. Akkor még úgy volt, hogy 2010-ben fel is lövik az eszközt, a folyamatos csúszások miatt viszont 2021-ben a Webbet is elérte az LMBTQ-probléma, amikor petícióban követelték, hogy az eszköz ne a nyíltan homofób Webb nevét viselje, akinek igazgatósága alatt sok diszkrimináció érte az űrügynökség meleg és leszbikus munkatársait. A NASA végül azt közölte, nem találtak a névváltás mellett szóló érvet.

Ugyan mindenki a Webb sikeréért szurkol, komor képet fest az a NASA által összeállított lista, ami 344 lehetséges okot jelöl meg a kudarcra. Ezek 80%-a egyébként a pályára állításhoz kötődik Mike Menzel, az űrtávcső egyik vezető mérnöke szerint. Ebben benne van az indítórakétáról való leválás és az a nagyon komplex kicsomagolási folyamat is, amiről korábban már említést tettünk.

Anekdotális szinten ismert, hogy az űrsiklók még 2011-ben is egy 1978-ban megjelent processzor, az Intel 8086 segítségével repültek. A régi, bevált dolgokhoz ragaszkodás hármas eredetű, és a Webb esetében is megvan, annak ellenére, hogy minden korábbinál több olyan technikát építettek a teleszkópba, amelyet korábban sosem próbáltak ki az űrben. Ez egyébként egy általában kerülendő dolog, magyarázza Detre.

„Ez az úgynevezett heritage technology, csúnya fordítással örökségi technológia, ami arra utal, hogy egy másik űrprogramban már tesztelt technológia öröksége. Ez leginkább a számítógépeknél jelenik meg, de a megbízhatóság ismerete csak az egyik ok, amiért régebbi technológiát használnak sok helyen. A második ok, hogy rengeteg technológiát akkor raksz bele a rendszerbe, amikor elkezded fejleszteni, ez mondjuk a Hubble esetében a ‘70-es évek volt, utólag ezeken nem lehet módosítani, mert már minden erre épült. A harmadik pedig, hogy a modern, legújabb processzorok tranzisztorai 10 nanométeresek, vagy annál is kisebbek, aminek az űrben van egy iszonyatosan nagy hátulütője: az űrben bombáznak a töltött részecskék, és egy ilyen pici tranzisztornak egy találattól vége van. Ha régebbi processzort teszünk bele, az ezt is tovább bírja. Persze ezen felül rengeteg a nem heritage technológia, és irtózatosan sok az olyan, ami teljesen új, még kipróbálatlan az űrben, cserébe teljesen high-tech.”

Furcsa kettősség, hogy míg a nanométeres tranzisztorok a legmodernebb veszélyforrások egyikét jelentik, addig a kalandregényekből ismert, sokak szemében régi fenyegetés is felmerült a Webb küldetésében: a kalózok.

Szerencsére ők már nem a hivatalos listán szereplő 344 lehetséges probléma között szerepelnek, velük már nem kell számolni. De korábban tényleg felmerült, hogy szállítás közben kalózok kezére kerülhet a rendkívül értékes rakomány, amiért adott esetben elég komoly váltságdíjat követelhettek volna. A Webbre a fellövés előtt ugyanis várt még egy több mint 9000 km-es hajóút Kaliforniától a Panama-csatornán át a Francia Guyanán található Kourou kikötőjéig. Az űrtávcsövet kénytelenek voltak hajón szállítani, a mérete ugyanis minden szempontból túl nagy volt bármelyik repülőhöz, a hajózással viszont komoly titoktartásra volt szükség: nem árulták el, mikor indult, csak azt, amikor már biztonságban megérkezett a fellövés helyére.

A végső földi hajóút után némileg furcsa arról beszélni, mi jöhet a James Webb után az űrtávcsövek szempontjából, de ugye magát a Webbet is azelőtt álmodták meg (ötletszinten), hogy a Hubble eljutott volna a világűrbe. Ahogy a Hubble és a Webb, vagy épp a még fejlesztés alatt álló, kalandregénybe illő történetű Nancy Grace Roman (korábbi nevén) WFIRST űrteleszkóp példája is mutatja, mindig lesznek olyan megválaszolatlan kérdések, amiket ma még bizonyos ismeretek hiányában feltenni sem tudunk, ezek megválaszolására pedig újabb, merészebb ötletre építő űreszközök kellenek majd. Ezek egy részén ilyen-olyan készültségi fokban, de már dolgoznak is. A jövő szempontjából kiemelt projektek pedig a NASA röviden Astro2020 néven emlegetett, 2020-ra tervezett, de a koronavírus miatt 2021-re csúszott felméréséből is jól látszanak.

A több mint 150 tudós alkotta 13 panel részvételével készült tanulmány három fő csapásirányt jelöl meg. Ezek a lakható exobolygók keresése, az univerzum kezdetének feltárása, valamint gázok tanulmányozása a galaxisok fejlődésének megértése érdekében. Ezeken a kategóriákon belül számos küldetést szorgalmaznak, többek között egy nagy infravörös/optikai/ultraibolya űrteleszkóp létrehozását, távoli infravörös és röntgenfelvételekre fókuszáló küldetések finanszírozását, a fontos földi csillagászati eszközök folyamatos fejlesztését, illetve kisebb, „szondás” kategóriájú küldetések folyamatos alkalmazását.

Az infravörös/optikai/ultraibolya űrteleszkópról részleteket is közölnek: nagyjából 11 milliárd dolláros költségvetéssel 2040-re lehet kész a legalább 6 méter átmérőjű tükörrel rendelkező űrtávcső, aminek képesnek kell lennie a csillagjánál tízmilliárdszor halványabb bolygók észlelésére is.

A lakható exobolygók frontján két projekt is küzd egymással, a HabEx és a LUVOIR. Mindkettő nagy, rendkívül tiszta tükrös optikai távcsöveket, UV-sugarakat és infravörös sugarakat használna, hogy olyan exobolygókra vadásszon, amelyeken víz, oxigén és ózon jelenlétére utaló jelek vannak. A HabEx egy koronográffal zárná a csillagok fényét, hogy felfedje a körülöttük lévő bolygókat; a LUVOIR ezzel szemben viszont egy nagyon nagy, kibontakozó tükörrendszert használna. Érdemes megnézni egyébként a LUVOIR korai tervrajzát, ami egy még nagyobb Webbre emlékeztet.

Rendkívül érdekes és izgalmas koncepciót követ a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) szonda terve, amely három, egymástól 2,5 millió kilométerre elhelyezkedő műholddal mérné a gravitációs hullámokat. Ez egyébként egészen jól áll már, jelenleg úgy tervezik, 2034-ben meg is kezdheti a működését.

Minden űrtávcsőnél távolabbi múltat vizsgálhatna az a Hold Földtől távolabbi oldalára, egy kráterbe tervezett rádióteleszkóp, amely jelenleg Lunar Crater Radio Telescope néven fut. A projektről Paul Hertz, a NASA asztrofizikai igazgatója beszélt nemrég a Voxnak. A csillagászok szerint a sötét korszakban a világegyetemet átható hidrogén nagyon gyenge rádióhullámokat bocsátott ki. Ez pedig némi reményt ad a csillagászoknak. „Visszatekinthetünk a sötét korszakba, mert ezek az atomok rádióhullámokat bocsátottak ki” – mondja Hertz. Mintha az idők kezdetének közeléből sugároztak volna egy magányos jelet, amely átjuthatott a ködön. „Ha megépítenénk a megfelelő, nagyon nagy és nagyon érzékeny rádióteleszkópot, akkor képesek lennénk észlelni a rádióhullámokat, és tanulmányozhatnánk az első csillagok és első galaxisok előtti univerzumot” – véli Hertz.

Tervek tehát vannak, de egyelőre drukkoljunk, hogy a Webb biztonságosan feljusson az űrbe, majd sikerrel vegye a 1,5 millió kilométeres útját.