James Webb otvorí ďalšiu etapu výskumu vesmíru

Pozemné testy Vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba úspešne napredujú. Ak sa nič neskomplikuje, najvýkonnejší prístroj v histórii astronómie odštartuje 30. marca 2021.

Dlhoočakávaný Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba (JWST) je po vyše dvoch desaťročiach vývoja prakticky dokončený. Tento technický zázrak nesie meno bývalého riaditeľa NASA, ktorý zohral jednu z kľúčových úloh v programe lunárnych expedícií Apollo.

Nový teleskop oproti súčasným ďalekohľadom dovolí astronómom nazrieť hlboko do vesmíru a pozorovať tisíckrát slabšie objekty. Pri jeho vývoji sa uplatnili unikátne riešenia a celkové náklady dosiahli rekordných desať miliárd dolárov (čo je napríklad štvornásobok výdavkov na misiu marťanského roveru Curiosity).

James Webb viedol agentúru NASA v rokoch 1961 až 1968. V tejto dekáde Američania zvládli lety na orbitu a pripravili program letov na Mesiac. Hoci vesmírne prístroje sú tradične pomenované po významných vedcoch a objaviteľoch, v tomto prípade urobila NASA výnimku – prevláda názor, že riaditeľ J. Webb urobil pre vedu viac ako ktorýkoľvek iný americký vládny úradník.

Nerušený výhľad z lóže
JWST nahradí dosluhujúci Hubblov vesmírny teleskop, ktorý v roku 1990 vďaka revolučným pozorovacím schopnostiam otvoril „zlatú éru astronómie“. Od svojho predchodcu sa Webbov ďalekohľad v mnohých ohľadoch odlišuje. Predovšetkým  nebude umiestnený na obežnej dráhe okolo Zeme. Usadí sa v oblasti Lagrangeovho libračného bodu L2, vzdialenom 1,5 milióna kilometrov (Mesiac obieha okolo Zeme vo vzdialenosti menej ako štyristotisíc kilometrov). Tu sa ocitne v stabilnej gravitačnej rovnováhe a bude mať nerušný výhľad do vesmíru.  

Nové riešenie podstatne zvýšilo nároky na konštrukciu ďalekohľadu – do takej vzdialenosti nebude možné vyslať opravárov a prístroje musia bezchybne fungovať počas celej plánovanej desaťročnej životnosti. Naopak, k Hubblovmu teleskopu vzdialenému 550 kilometrov smerovalo päť servisných misií raketoplánov, prvé dokonca vymenili jeho chybne vybrúsené primárne zrkadlo.

Lagrangeove body sú v nebeskej mechanike miesta, kde sa v sústave Slnko – Zem vyrovnávajú gravitačné a odstredivé sily. Malé teleso umiestené do tohto bodu nemení voči sústave svoju polohu. Webbov teleskop sa usadí v bode L2.

Unikátne zrkadlo a dáždnik
Konštruktéri narazili na technické problémy, aké sa doteraz pri letoch do vesmíru neriešili. Hlavné zrkadlo ďalekohľadu má priemer 6,5 metra, takže tzv. zberná plocha je približne päťnásobne väčšia než zrkadlo Hubblovho teleskopu. Takto rozmerný objektív sa nevojde pod aerodynamický kryt žiadnej nosnej rakety, preto musel vzniknúť ako „skladací“. Zostavený je z osemnástich šesťuholníkových segmentov s priemerom 1,32 metra vyrobených z berýlia a vo vesmíre sa roztvorí do operačnej polohy.

Každý zrkadlový segment je vybrúsený s nebývalou presnosťou – odchýlka od ideálnej plochy nesmie prekročiť 1/10 000 hrúbky ľudského vlasu. Segmenty sú pokryté veľmi jemným filmom zo zlata, aby zlepšil odraz infračerveného svetla. Na dosiahnutie a udržanie požadovaného tvaru optickej plochy objektívu sa budú používať tzv. aktuátory – malé motorčeky, ktoré podľa potreby doladia zaostrenie. Pohyb segmentov sa bude regulovať zo Zeme.

Aby sa 6,5-metrové zrkadlo teleskopu zmestilo do tepelného štítu rakety Ariane 5, museli ho navrhnúť ako skladacie.

JWST skúma v infračervenom spektre. Zrkadlo i ďalšie prístroje preto musia byť permanentne držané v teplote nižšej ako mínus 220 stupňov Celzia, aby sa zabránilo riziku „teplotného smogu“. Postará sa o to päťvrstvový slnečný štít veľký 22 x 12 metrov. Jeho úlohou je odtieniť aparatúru od žiarenia Slnka, Zeme a Mesiaca, ako aj od tepla z pomocného modulu, ktorý je súčasťou observatória.

Maratón kľúčových testov
Myšlienka skonštruovať nástupcu Hubblovho teleskopu vznikla v roku 1996. Na jeho vývoji sa podieľa americká NASA, Európska vesmírna agentúra (ESA) a Kanadská kozmická agentúra (CSA). Trval celé dve desaťročia a po prekonaní technických prekážok i zmenách konštrukcie stavbu JWST dokončili v závere roku 2016.

Keď v roku 2017 vstúpil projekt do testovacej fázy, ukázalo sa, že skúšky jednotlivých komponentov a ich integrácia budú náročné a vyžiadajú si dlhší čas, ako sa predpokladalo. Dnes má ďalekohľad za sebou niekoľko dôležitých testov. Vlani v auguste technici úspešne mechanicky spojili všetky jeho tri hlavné časti – teleskop zložený zo zrkadiel a vedeckých prístrojov, slnečný štít i pomocný modul s pohonom a slnečnými panelmi.

Unikátny tepelný štít s veľkosťou tenisového kurtu bude neprehliadnuteľnou súčasťou ďalekohľadu JWST.

Observatórium bolo pripravené na tzv. tepelno-vákuové skúšky v špeciálnej environmentálnej komore. V októbri vystavili teleskop extrémnym tepelným výkyvom, aby overili funkčnosť slnečného štítu. Ten rozdeľuje JWST na teplú stranu, ktorá je vždy obrátená k Slnku (s teplotou okolo sto stupňov Celzia), a chladnú stranu s teplotou mínus 240 stupňov.

Aktuálne celý teleskop skladajú do štartovacej polohy. V takejto konfigurácii sa podrobí mechanickým testom, ktoré overia jeho odolnosť proti vibráciám. Potom ho opäť rozložia, znova komplexne otestujú a ak všetko dobre dopadne, bude po zložení pripravený na let do vesmíru.

Technici po prvý raz zmontovali Webbov teleskop v Goddardovom centre vesmírnych letov NASA v auguste 2019.

Vynesenie ďalekohľadu má na starosti ESA a štart rakety Ariane 5 je zatiaľ naplánovaný na 30. marca 2021 z kozmodrómu Kourou vo Francúzskej Guyane.

S návštevami údržbárov na Webbovom ďalekohľade sa nepočíta. Ak sa však po roku 2022 úspešne spustí program lodí Orion, bude možné vyslať inšpekciu aj k teleskopu vzdialenému 1,5 milióna kilometrov. Zatiaľ je len v predstavách grafika Mikka Väisänena.

Pohľad do minulosti vesmíru
Kým Hubblov teleskop si získal srdce verejnosti predovšetkým svojimi úžasnými obrázkami vo viditeľnom spektre, Webbov bude skôr operovať v infračervenej oblasti s vlnovou dĺžkou 0,6 až 50 μm. Vďaka tomu však bude schopný oveľa jednoduchšie a presnejšie pozorovať vzdialené objekty. Tepelné žiarenie dokáže prenikať napríklad cez oblaky kozmického prachu, ktoré sú pre viditeľné svetlo neprehľadné. To umožní lepšie študovať vzdialené hmloviny, molekulárne mračná v miestach rodiacich sa hviezd, pracho-plynové disky mladých hviezd so vznikajúcimi planétami či jadrá aktívnych galaxií.

Porovnanie veľkostí Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu a teleskopu Jamesa Webba.

JWST bude schopný sústrediť približne sedemkrát viac svetla ako Hubblov ďalekohľad a detegovať štyristokrát slabšie telesá. Astronómom dovolí nahliadnuť späť do minulosti, keď sa vo vesmíre začali po veľkom tresku formovať prvé galaxie. Obrovský ďalekohľad bude prínosom pre všetky odbory astronómie a do viacerých prinesie doslova revolúciu. Napríklad pri štúdiu vzniku a vývoja planetárnych systémov bude schopný analyzovať zloženie atmosfér planét a hľadať odpovede na otázky vzniku života.

Foto: NASA, ESA, CSA, Arianespace, Mikko Väisänen