James Webb ruimtetelescoop

De James Webb ruimtetelescoop (JWST) is een infrarood observatorium, momenteel in ontwikkeling, dat begin 2019 met een Ariane 5-raket vanuit Frans-Guyana  naar het Lagrangepunt 2 (1,5 miljoen km ver) gebracht zal worden. Daarmee wordt het de grootste en krachtigste ruimtetelescoop tot nu toe. 

Het zal het voornaamste observatorium worden van het komende decennium en zorgen voor een beter begrip van ons universum en onze oorsprong.

eindopstelling James Webb spacetelescope (artist impression)               positie JWST op lagrange 2

De James Webb Space Telescope          Positionering op Lagrangepunt 2
bron: Northrop Grumman                     bron: NASA

 

James Webb is grensverleggend...

Duizenden astronomen zullen met behulp van de JWST in staat zijn elke fase in de kosmische geschiedenis te bestuderen, van de eerste lichtgevende gloed 100 tot 250 miljoen jaar na de Big Bang tot de vorming van zonnestelsels waarin leven is kunnen ontstaan.  Het zijn net die eerste objecten en oudste sterren, die gevormd zijn als het universum begon af te koelen en licht uit te stralen, die nooit eerder zijn waargenomen. Met de JWST hoopt men nu een zicht te krijgen op de vorming en evolutie van sterren, sterrenstelsels en planetenstelsels zoals ons eigen melkwegstelsel en zonnestelsel.

Die eerste sterren en sterrenstelsels waren tot op zekere hoogte anders van aard dan de huidige. Ze ondergingen vele processen, waaronder de botsing met andere kleine onregelmatige stelsels en de interactie met donkere materie, om te komen tot de diversiteit der objecten die we heden kunnen waarnemen.

Door die vroegste objecten, die slechts heel vaag waarneembaar zijn, te vergelijken met de huidige, hopen we meer te weten te komen over die evolutie van het universum.

reikwijdte waarneemvermogen in de kosmische geschiedenis recht   

Reikwijdte waarneemvermogen in de kosmische geschiedenis.
bron: STSci  

 

Verschillen met andere ruimtetelescopen qua ontwerp

Door de grotere gevoeligheid en spectrale resolutie en dus het grotere bereik wat betreft de golflengte van het binnenvallend licht, zal de JWST de ontdekkingen van de Hubble ruimtetelescoop kunnen aanvullen en verruimen. De hoofdspiegel, bestaande uit 18 delen en met een diameter van 6.5 meter, zal immers zeven maal meer licht opvangen als de Hubble.  Het grootste verschil ligt echter in het ontwerp voor het infrarode deel van het spectrum (hoewel de JWST ook rood en geel zichtbaar licht zal kunnen onderscheiden).

bereik op EM spectrum van enkele satellieten en ruimtetelescopen   vergelijking JWST-HST-primary-mirrors

Bereik op EM spectrum van enkele satellieten en ruimtetelescopen.                                              Vergelijking JWST/HST primaire spiegel.
bron: NASA                                                                                                                                  bron: NASA

 

Kijken naar 'het begin der tijden'

De grotere golflengten maken het mogelijk dat de James Webb Space Telescope veel dichter naar het begin der tijden kan kijken. Voor het eerst zal een blik geworpen worden op de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels. Dat zijn belangrijke puzzelstukken om de huidige objecten te begrijpen. Ten gevolge van de uitdijing van het heelal bewegen die eerste sterren en sterrenstelsels zich steeds sneller van ons weg.  Het licht dat ze uitstralen is verschoven naar het nabije- en midden-infrarode spectrum. Het is net voor dat licht dat de JWST ontworpen is.
De Hubble (HST) was niet groot en koel genoeg om de zwakke warmtesignalen van die veraf gelegen objecten te detecteren/zien.

roodverschuiving         reikwijdte waarneemvermogen in de kosmische geschiedenis 1

Roodverschuiving.                                                                                    Reikwijdte waarneemvermogen in de kosmische geschiedenis.
bron: Aleš Tošovský                                                                                bron: NASA and and Ann Feild [STScI]

 

Infrarood kijkt beter

Die infraroodgolven vinden met hun lange golflengten bovendien ook makkelijker hun weg uit stof- en gaswolken. Hier zal de JWST er ook beter in slagen om in die koelere wolken de huidige vorming van sterren, planetenstelsels en protoplanetaire systemen te ontwaren, alsook hun fysische en chemische eigenschappen en hun vermogen om leven te genereren. Met behulp van de transitmethode en verschuivingen van het uitgezonden licht van sterren zal de JWST bovendien ook bijdragen tot de studie van exoplaneten en hun atmosfeer - dit laatste in de eerste plaats dankzij spectrometrie. Ook voor de studie van objecten in ons zonnestelsel zal de JWST een belangrijke meerwaarde betekenen.

verschil waarnemen in infrarood  verschil waarnemen in infrarood 2

Verschil waarnemen in infrarood en optisch licht.
bron: NASA/ESA/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team (STScI)                               bron: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

 

Belangrijkste “zintuigen” van de telescoop

Het kloppend hart van de JWST is de ISIM of  ‘Integrated Science Instrument Module’ dat het wetenschappelijk instrumentarium zal huisvesten.  

JWST isim JWST isim (cad weergave)

bron: NASA/Chris Gunn                                  Instruments JWST/NASA

 

Dit instrumentarium omvat 4 wetenschappelijke instrumenten die beelden nemen en spectra detecteren van astronomische objecten binnen een reikwijdte van 0.6 tot 28.5 micrometer.

Near Infrared Camera of NIRCam:

Dit wordt het belangrijkste beeldvormingsinstrument van de telescoop, met als werkterrein het nabije-infraroodspectrum gaande van 0,6 tot 5 micrometer. De NIRCam zal het licht waarnemen van de eerste sterrenstelsels die gevormd werden na de oerknal. Hij is geoptimaliseerd om dit ‘eerste licht’ waar te nemen. 
De NIRCam zal ook aangewend worden om de vorming van sterren in de Melkweg, alsook planeten rond andere sterren te observeren.

Dit laatste is mogelijk dankzij de ingebouwde coronagrafen. Deze gaan licht van een centraal object blokkeren om zodoende het zwakke licht van omliggende objecten, in de eerste plaats exoplaneten, waar te nemen.

De NIRCam heeft bovendien onderdelen die erg lijken op de CCD-chips in gewone fotocamera’s. Dit zijn de chips waarin fotonen worden geabsorbeerd en omgezet in elektrische spanningen die dan gemeten worden met als doel een beeld te kunnen vormen. De detectoren van de JWST zijn natuurlijk wel groter van formaat, uiterst gevoelig en robuuster.
Naargelang van het doel van de detector, m.a.w. de specifiek te observeren golflengten,  verschillen de verhoudingen van de materialen waaruit die detectoren zijn opgebouwd (kwik, cadmium,…).

NIRCam detectorJWST NIRCam

bron: University of Arizona/NASA                                              Near Infrared Camera (NIRCam) Instrument JWST/NASA

 

Near Infrared Spectrograph of NIRSpec:

Een nabije-infraroodspectroscoop die net als de NIRCam de lichtgolven met lengte 0,6 tot 5 micrometer zal benutten. De NIRSpec zal echter geen beelden vormen maar die lichtgolven dispergeren in een spectrum. De ontleding van het spectrum van licht dat een object uitzendt, ontsluit informatie over de fysische eigenschappen van dat object waaronder temperatuur, massa en chemische samenstelling. De atomen en moleculen in die objecten bestempelen als het ware het licht dat die objecten uitzenden.  Door de analyse en interpretatie van die ‘vingerafdrukken’ in dat licht door middel van spectroscopie, kunnen we de kosmos gaan verkennen. De NIRSpec beschikt bovendien over een nieuw snufje, genaamd ‘microshutters ‘, die het toestel in staat stellen uit een veelheid van objecten te selecteren welk object  geobserveerd en geanalyseerd zal worden. Zulke technologie is een voorbeeld van hoe ruimtevaart de technologische vooruitgang stimuleert: deze microshutters hebben ondertussen hun ingang gevonden in de biotechnologie, geneeskunde en telecommunicatie.

NIRSpec  JWST microshutters close up  JWST microshutters close up 2

bron: Astrium / NIRSpec                                         Microshutters.  NIRSpec Instrument JWST/NASA

 

Mid- Infrared Instrument of MIRI:

Dit is het middelste-infraroodinstrument met een bereik tussen 5 en 28,5 micrometer, dat zowel beelden zal nemen als spectra analyseren, op basis van warmte- (dus infrarood)straling, i.p.v. op basis van bijvoorbeeld zichtbaar licht. MIRI leent zich vooral tot het waarnemen van de warmtestraling van exoplaneten en de spectrometrie van hun atmosfeer. Het zal ook gebruikt worden voor de identificatie van veraf gelegen sterrenstelsels en sterren met een roodverschuiving van z >7. Daarnaast zal het ook het warme stof en moleculaire gas waarnemen in jonge sterren en protoplaneten. Ook kometen die amper zichtbaar zijn en vage objecten uit de Kuipergordel zullen met dit werktuig bestudeerd worden. In MIRI zitten 3 detectoren die in een nog koelere structuur moeten opereren dan de detectoren in de andere instrumenten, omdat MIRI de infrarood- ‘achtergrondruis’ (te wijten aan de elektronen die niet tot het beoogde bereik horen) meer moet onderdrukken. Enkel op die manier kunnen de langere golven van het middelste-infraroodspectrum gedetecteerd worden en geconverteerd naar digitale data. In functie hiervan is een “cryo cooler” ingebouwd die voor de detectoren een maximale temperatuur van -266 C° moet garanderen.

JWST cryo-cooler miri instrumentJWST MIRI cad overzicht

Cryocooler op het MIRI                                                   MIRI

 

Fine Guidance Sensor FGS/NIRISS:

Dit zijn twee instrumenten in éénzelfde behuizing maar zij werken onafhankelijk van elkaar.
FGS betekent Fine Guidance Sensor (fijne besturingssensor) en dient voor de nauwkeurige positionering van de satelliet.
De NIRISS is een spectrograaf die eveneens het eerste licht, de vorming van sterrenstelsels en planetenstelsels en exoplaneten zal waarnemen.

JWST FGS NIRISS 

bron: COM DEV Canada

 

Technologische innovaties

Verscheidene innovatieve technologieën moesten ontwikkeld worden voor de JWST. De belangrijkste hiervan is de gesegmenteerde primaire spiegel die opgeplooid zal worden voor de lancering. Eenmaal uitgevouwen in de ruimte zal elk segment, met behulp van diverse actuatoren, de juiste buiging krijgen voor elke observatie. Die laatste afstelling, waarachter een gesofisticeerd systeem van algoritmes schuilgaat, kan gebeuren met een precisie van 1/10000 van de dikte van een mensenhaar.

De spiegel heeft een oppervlakte van 25m², een brandpuntafstand van 131,4 meter, weegt 700 kg en bestaat voornamelijk uit een berylliumstructuur (die een optimale sterkte/gewicht verhouding garandeert), afgewerkt met een flinterdunne gouden toplaag voor de maximale reflectie van de infraroodgolven.

 primaire spiegel JWST afgewerkt  gouden coating JWST spiegelsegment

   Gouden coating spiegelsegment. bron: Drew Noel

  design draagstructuur spiegelsegmenten JWST

Primaire spiegel. bron: NASA/Chris Gunn                             Draagstructuur spiegelsegment. bron: ASU/NASA

Een andere essentiële innovatie was het zonnescherm die de telescoop moet afschermen van externe bronnen van licht en warmte (zoals de zon, aarde en de maan) maar ook van de warmte uitgestraald door het toestel zelf. Dit is nodig aangezien de telescoop voornamelijk het infrarode licht van verre, vage objecten gaat observeren. En om die zwakke warmtesignalen op te vangen moet de telescoop in een extreem koude toestand opereren.

Dat hitteschild is zodanig ontworpen dat het aan de koude kant -223°C kan zijn terwijl aan de andere kant stikstof zou kunnen gekookt worden. Het scherm is 5 lagen dik en heeft de grootte van een tennisveld. Het kan de hitte van de zon meer dan een miljoen keer afzwakken. Gecombineerd met de positie op het tweede zon-aarde-Lagrangepunt L2, waar ze altijd van de invloed van zon, aarde en maan afgewend zal blijven, creëert dit dus de ideale observatieomstandigheden.

zonnescherm JWST  JWST sunshieldhotcold

Zonnescherm. bron: NASA/Chris Gunn                       Scheiding warme/koude kant JWST. bron: JWST/NASA

De JWST zal, in tegenstelling tot de Hubble-ruimtetelescoop, niet toegankelijk zijn voor herstellingen door astronauten in de ruimte, omdat ze op een afstand van gemiddeld 1,5 miljoen km van de aarde gepositioneerd zal zijn, op het 2de Lagrangepunt. Daarom is er veel belang gehecht aan het rigoureus testen van de telescoop tijdens de verschillende stappen in het productieproces, beginnende bij de productie van de afzonderlijke componenten. Zodoende wordt het risico op gebreken na lancering verkleind. Voor sommige onderdelen zoals de gyroscoop zijn andere technologieën gebruikt dan diegene die in het verleden voor problemen gezorgd hebben.

De JWST zal, inclusief de gebruikskosten van de eerste jaren, ongeveer 8.835 miljard USD kosten en is mogelijk gemaakt door een internationale samenwerking tussen de NASA, de European Space Agency (ESA) en de Canadian Space Agency (CSA). Zij is genoemd naar de leider van de NASA tussen februari 1961 en oktober 1968, James Webb.

 

Is er iets onduidelijk? Heb je een fout gevonden? Mail ons!