Ingeniørmæssig kæmpebedrift: Sådan blev James Webb gjort klar

Det har taget mere end et halvt år at klargøre James Webb til at tage de billeder, vi nu skal se.

Forberedelserne begyndte faktisk lige efter opsendelsen fra Kourou med en Ariane-5-raket juledag 2021.

I denne artikel kan du blive klogere på alle disse forberedelser og de mange ingeniørmæssige udregninger og bekymringer, teleskopet har måttet føje i løbet af sin rejse.

Det første skridt: Teleskopet foldes ud

Efter at kursen var sat mod det andet Lagrangepunkt, 1,5 millioner kilometer fra Jorden, var noget af det første, man gjorde, at måle, hvor meget styrebrændstof teleskopet havde tilbage.

Det var heldigvis mere end beregnet, for James Webb kredser nemlig om L2 i en ikke særlig stabil bane, men med lidt styrebrændstof er det ikke svært at holde den på plads – og der ser heldigvis ud til at være brændstof nok til at holde banen mange år fremover.

Det tog 29 dage at flyve ud til L2, og de dage blev brugt til den meget omfattende udfoldning af teleskopet, der i den grad var foldet sammen ved opsendelsen.

Det første problem var selve det 6,5 meter store spejl, som var for stort til at sende op i et stykke.

Problemet blev løst ved at opbygge spejlet af 18 mindre, sekskantede spejle fremstillet af metallet Beryllium, som er både let og stærkt og desuden ikke ændrer form, selv om temperaturen skulle ændre sig.

Hvert spejl vejer kun 20 kilo, selv om det har en diameter på 1,3 meter. Spejlene er dækket af et tyndt lag guld, fordi det gør dem bedre egnet til at reflektere infrarødt lys.

Spejlet skulle altså udfoldes, og hver af de 16 små spejle justeres, så de til sammen kommer til at virke som ét stort spejl.

Det krævede næsten uendeligt små flytninger af de enkelte spejle på måske få mikrometer – eller mindre.

Et langvarigt og meget kompliceret arbejde, hvor man holdt øje med, hvordan spejlet fungerede ved at tage prøvebilleder af enkelte stjerner.

Da James Webb observerer i det infrarøde område, er det vigtigt, at teleskop og instrumenter er meget kolde, for ellers vil den infrarøde varmestråling fra selve teleskopet helt ødelægge målingerne.

Den opgave blev løst af fem varmeisolerende tæpper, der langsomt og omhyggeligt skulle foldes ud.

De fem varmeisolerende tæpper, som beskytter mod strålingen fra Solen, Jorden og Månen, er lavet af Kapton, der har en tykkelse fra 0,050 milimeter til 0,025 meter.

De er stablet oven på hinanden, og tæpperne har med en størrelse på 21,2 x 14,2 meter omtrent samme størrelse som en tennisbane.

De fem lag tæpper, som hver er adskilt af vakuum, er en virkelig god isolator. Havde der været et enkelt tykt tæppe, ville for meget varme slippe gennem til det øverste lag.

Varmeisoleringen, tæpperne leverer, er ganske fantastisk. Det nederste tæppe modtager mere end 300 kW fra Solen, og det kommer op på en temperatur på 85 grader – nok til at spejle et æg.

Til gengæld har det øverste tæppe en temperatur på -233 grader, hvilket stort set svarer til tempe-raturen på Pluto.

Isoleringen er simpelthen så god, at der fra det øverste tæppe kun kommer en meget svag varmestråling på 23mW.

Spejlet og de videnskabelige instrumenter bliver dermed lige så kolde, som hvis man havde sendt hele teleskopet ud til Pluto.

Men det er også nødvendigt, hvis man skal foretage seriøse infrarøde målinger.

Det gik jo godt, og på grund af de varmeisolerende tæpper er temperaturen på teleskopet nu lavere end temperaturen på Pluto.

Kulden har været forudsætningen for, at man ét for ét har kunnet gøre de fire instrumenter klar.

Det andet skridt: Instrumenterne klargøres

Vel ankommet til banen om L2 lod man nu teleskopet og dets instrumenter langsomt køle ned.

Først da temperaturen var lav nok, turde man ét efter ét tænde for de meget følsomme instrumenter og afprøve, om de virkede efter hensigten.

Man har valgt, at alle fire instrumenter på James Webb observerer i infrarødt lys, og det er der en god grund til: Det er nødvendigt, hvis vi vil have en mulighed for at se tilbage til universets begyndelse for 13,8 milliarder år siden.

Da de allerførste galakser blev dannet, var de fulde af meget varme og blå stjerner. Det lys, de dengang udsendte, var mest kortbølget blåt lys, men i de milliarder af år, lyset har været undervejs mod os, har universet udvidet sig.

Det oprindeligt kortbølgede blå lys fra galakserne er så at sige blevet strakt, så vi nu modtager det som langbølget, infrarødt lys.

Så lad os præsentere de fire instrumenter: Det er to kameraer og to spektrografer, som har ret forskellige opgaver.

Det første instrument som blev aktiveret, var Near Infrared Camera (NIRCam). Det observerer i bølgelængdeområdet 600 nanometer – 5.000 nanometer, og det dækker derved også noget af det synlige område.

Kameraet er allerede blevet brugt til at justere det store spejl, og forude venter mange opgaver, eksempelvis at tage billeder af de fjerneste galakser i universet.

NIRCam blev som det første instrument aktiveret ret tidligt, fordi det kan fungere selv ved en så 'høj' temperatur på -173 grader.

Derefter kom turen til de to spektrografer, der - som navnet antyder - har til opgave at tage spektre. Instrumenterne kan tage op til 100 spektre på en gang, og de arbejder lige som NIRCam i området 600 nanometer – 5000 nanometer. Spektre er helt nødvendige, hvis man skal måle kemisk sammensætning, temperatur med videre.

Disse to instrumenter kan altså meget andet end at undersøge stjerner og galakser.

De vil helt sikkert komme til at spille en stor rolle ved undersøgelsen af mange exoplaneter, hvor man vil søge at måle atmosfærens sammensætning.

Det sidste instrument var så MIRI, der står for Mid Infrared Instrument.

Det observerer virkelig langt ude i det infrarøde område, fra 5.000 til 28.000 nanometer, og instrumentet kræver en temperatur helt nede på -267 grader - altså mindre end syv grader over det absolutte nulpunkt.

Nok har man anbragt teleskopet i skyggen af de varmeisolerende tæpper, men det er ikke nok til at køle det så langt ned. MIRI har derfor sit helt eget køleanlæg.

MIRI kan både tage både billeder og spektre, og bølgelængdeområdet er valgt, så det er let at se gennem Mælkevejens store støvskyer, som ofte skjuler alt fra nydannede stjerner til galakser.

Endelig må vi ikke glemme et instrument, som sjældent nævnes, men som overhovedet ikke kan undværes:

Det er den såkaldte Fine Guidance Sensor, der er det instrument, som holder fuldstændig styr på, i hvilken retning James Webb teleskopet peger og derefter sørger for, at det bliver ved med at pege i den ønskede retning.

Uden Fine Guidance Sensor ingen observationer – så simpelt er det.