Opdatering: Opsendelsen af teleskopet er flyttet til 25. december. Tidspunktet er rettet i artiklen. Se opsendelsen live her.
Efter mange års forsinkelse er James Webb-rumteleskopet nu parat til at blive opsendt 25. december.
Denne juleopsendelse skal ske fra den europæiske Kourou-base i Sydamerika med en Ariane 5-raket, og opsendelsen er et af Europas store bidrag til dette enorme projekt.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
James Webb er det største og, med en pris på næsten 12 milliarder dollar, så langt det dyreste rumteleskop til dato.
Projektet er internationalt, og Europa bidrager med den Ariane 5-raket, som skal opsende teleskopet, samt med to af de fire videnskabelige instrumenter til en samlet pris på 700 millioner dollar.
Canada deltager også, men det er NASA, der har investeret de fleste penge, nemlig 10,8 milliarder dollar.
Det er en så stor investering, at det gør det til et rumprojekt, som simpelthen ikke må mislykkes – konsekvenserne ville være helt uoverskuelige.
Teleskopet er ikke opkaldt efter en astronom, som der ellers har været tradition for. I stedet har man valgt at opkalde det efter James Webb (1906-1992), som under månekapløbet i 1960'erne var leder af NASA.
I denne periode var han ansvarlig for, at NASA også fik opbygget et stort videnskabeligt program, som ikke havde noget med månekapløbet at gøre.
I de syv år, han var leder, blev der opsendt ikke mindre end 75 videnskabelige satellitter og rumsonder.
Dette er baggrunden for, at teleskopet nu er opkaldt efter en administrator og ikke en astronom.
Vi vil i denne artikel koncentrere os om selve teleskopet, og hvordan det skal sendes ud i rummet.
I en senere artikel vil vi se nærmere på de videnskabelige opgaver og derfor i første omgang blot henvise til infografikken herunder, der giver en god oversigt:
En helt ny type teleskop
Som man kan se på tegninger som dén, der ligger øverst i denne artikel, ligner James Webb ikke noget tidligere teleskop. Der er ikke noget kikkertrør, og det store spejl er anbragt direkte ovenpå fem varmeisolerende tæpper.
Som vi skal se, er der en god grund til at bygge teleskopet på denne måde. Men for at løse de videnskabelige opgaver har det været nødvendigt at bygge teleskopet så stort, at det ikke kan anbringes i næsen på selv en Ariane-raket.
James Webb skal som nævnt opsendes med Ariane 5 fra Kourou-basen i Sydamerika. Men selv om Ariane raketten har et virkeligt stort lastrum, så kan det hverken rumme det 6,5 meter store spejl eller de fem varmeisolerende tæpper, der hver er på størrelse med en tennisbane.
Det giver to store tekniske udforinger: Først skal teleskopet foldes så meget sammen, at man kan få plads til det i næsen på Ariane 5-raketten, og dernæst skal teleskopet så foldes ud igen efter opsendelsen.
Hele det forløb kan man se afbilledet i den lille video nedenfor.
Udfoldningen vil tage 29 dage og balancerer hele tiden på kanten af det teknisk mulige, ikke mindst fordi der er 22 begivenheder under udfoldningen, som alle skal forløbe helt perfekt, før James Webb er klar til at observere.
For at forstå hvorfor man er endt med en så kompliceret og risikabel opsendelse, skal vi gå lidt tilbage i historien og se på baggrunden for, at man overhovedet valgte at bygge James Webb.
Hubble og James Webb
Hubble har nu været ude i rummet siden 1990, og det er begrænset, hvor meget længere det kan virke.
Fra sin bane 550 kilometer over Jorden har Hubble med sine utroligt skarpe billeder af universet været af enorm betydning for astronomien.
Med sit 2,4 meter store spejl var Hubble desuden det første store rumteleskop, som man næsten kan sammenligne med en astronomisk opdagelsesrejsende i rummet.
Hubble tog billeder af alt, lige fra Solsystemets planeter til fjerne galakser, men der var en grænse for Hubbles formåen, hvis man vil studere selve universets begyndelse.
Big Bang fandt sted for 13,7 milliarder år siden, og det lys, der blev udsendt af de allerførste stjerner og galakser, har derfor været undervejs i mere end 13 milliarder år.
Da lyset blev udsendt, var universet meget lille, og i de godt 13 milliarder år, lyset har været undervejs, har universet jo udvidet sig. Rummets udvidelse betyder noget for det lys, som stammer fra universets begyndelse.
Udvidelsen får bølgelængden af lyset til at vokse. Det betyder, at det lys, der oprindeligt blev udsendt fra en galakse som blåt lys, i dag ses som langbølget infrarødt lys.
Sammenlignet med James Webb har Hubble to store begrænsninger, hvis man vil udforske det meget unge univers:
- Hubble kan kun se en lille del af den infrarøde stråling, og slet ikke de bølgelængder, der stammer fra det helt unge univers
- Hubble har et alt for lille spejl til at studere galakser, der både er meget svage og meget langt borte
Hubble kan desuden kun se infrarødt lys mellem 0,8 og 2,5 mikrometer, mens James Webb kan se fra 0,6 og helt op til 28 mikrometer.
Det kræver dog, at teleskopet skal være meget koldt, og ude i rummet, hvor teleskopet er badet i et konstant og meget stærkt sollys, er det ganske svært at køle et teleskop ned til en temperatur på -233 grader eller kun godt 40 grader over det absolutte nulpunkt.
Hvis man ikke gør det, vil infrarød varmestråling fra selve teleskopet forstyrre målingerne.
Vi vender tilbage til, hvordan dette problem rent praktisk er blevet løst.
Hubbles spejl på kun 2,4 meter er for lille til at kunne se detaljer, når vi vil se helt tilbage til universets begyndelse, og desuden kræver det meget lange eksponeringstider - dage eller uger - at tage gode billeder fra det fjerne rum.
Det var helt klart nødvendigt med et større spejl. Man endte med et spejl på 6,5 meter, og da spejlet er for stort til de eksisterende raketter, har det derfor været nødvendigt at opbygge spejlet af flere mindre spejle, så det hele kan foldes sammen.
Spejlet på James Webb har et areal 6,25 gange større end Hubbles spejl – for begge spejle gælder dog, at man af tekniske grunde ikke kan anvende hele spejlets areal.
Størrelsen gør, at James Webb for en given eksponeringstid kan se langt svagere galakser end Hubble. Hvert sekund modtager James Webb jo mere end seks gange så mange fotoner fra en fjern galakse som Hubble.
For det andet bliver billederne skarpere, da et 6,5 meter spejl kan skelne detaljer næsten tre gange mindre end et spejl på 2,4 meter. Til gengæld modvirkes det af, at billeder taget i langbølget infrarødt lys er mindre skarpe end billeder taget i synligt lys.
Spejl og afkøling giver to tekniske udfordringer
Spejlet og afkølingen har været de to største udfordringer i opbygningen af James Webb. Lad os begynde med spejlet.
Som nævnt er det umuligt at sende et 6,5 meter stort spejl op med eksisterende raketter, fordi det er meget svært at finde et lastrum med en diameter på meget over fem meter.
Man har valgt Ariane 5, som har et lastrum med en længde på 16,2 meter og en diameter på 4,6 meter, hvilket dog stadig er for lidt til spejlets diameter på 6,5 meter.
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 egnede til at reflektere infrarødt lys.
Ved at bygge spejlet på den måde er det muligt at folde det sammen i rakettens næse, men det betyder så, at spejlet skal foldes ud, efter det er sendt ud i rummet.
Også varmeisoleringen har været et stort problem. Med de uhyre følsomme infrarøde instrumenter, som James Webb medfører, er det nødvendigt at undgå enhver form for ’infrarød forurening’ fra teleskopet selv.
Det er grunden til, at James Webb ikke ligner Hubble – et almindeligt teleskoprør vil udsende alt for meget infrarødt lys. Man er simpelthen nødt til at anbringe spejlet i det tomme rum for at holde den infrarøde ’forurening’ fra selve teleskopet så langt nede som muligt.
Der er koldt i skyggen
Man er gået langt – mere præcist 1,5 millioner kilometer – for at holde den ’infrarøde forurening’ så langt nede, at teleskopet har mulighed for at observere de uhyre svage kilder fra universets begyndelse.
Det er sket ved at vælge at sende teleskopet ud til Lagrangepunktet L2, der befinder sig 1,5 millioner kilometer fra Jorden i retning bort fra Solen. De fem Lagrangepunkter kan du læse mere om i sidehistorien under artiklen.
James Webb skal ikke anbringes i selve punktet L2, men kredse om det. Forklaringen er, at når teleskopet befinder sig i L2, ser det Solen, Jorden og Månen i samme retning.
Både Solen, Jorden og Månen er varmekilder, som kan forstyrre målingerne. Men når de tre varmekilder ses i samme retning, er det muligt at beskytte teleskopet mod alle tre varmekilder på én gang ved hjælp af de varmeisolerende tæpper.
Selve teleskopet vil derfor altid befinde sig i skygge og dermed forblive meget koldt, også selv om Solen ude ved L2 lyser så kraftigt som i nogen ørken.
De fem varmeisolerende tæpper, som beskytter mod strålingen fra Solen, Jorden og Månen, er lavet af Kapton, og har en tykkelse på mellem 0,050 milimeter og 0,025 meter.
Tæpperne har med en overflade på 21,2 x 14,2 meter omtrent samme størrelse som en tennisbane.
Der er fem lag, som hver er adskilt af vakuum, der er en virkelig god isolator. Havde der været et enkelt tykt tæppe, ville for meget varme slippe igennem til det øverste lag.
Den varmeisolering, 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 temperaturen 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 derved 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.
Prisen for den lave temperatur er, at de varmeisolerende tæpper først skal rulles sammen ikke mindre end 12 gange for at være i næsen på Ariane, og derefter langsomt og meget forsigtigt rulles ud igen.
Og så det mest fantastiske: Den samlede vægt af James Webb med spejl, instrumenter, tæpper og meget andet udstyr er kun 6,5 ton, eller omtrent halvdelen af vægten for Hubble.
\ Læs mere
Her er der virkelig tænkt og lagt planer, og det er naturligvis blevet bemærket, at den langt simplere udfoldning af ét af de to solpaneler på rumsonden Lucy her i oktober, ikke er gået helt efter planen. James Webb bevæger sig, som NASA selv siger, ’på kanten’ af det teknisk mulige.
Udfoldningen af spejlet er kun én af de mange, mange udfoldninger, som James Webb skal igennem, før den er parat til at blive taget i brug.
Derfor sørger man for reservesystemer overalt, hvor det er muligt. For hver motor, som skal igangsætte en udfoldning, er der to måder at tænde motoren på. For hver af de mange låsemekanismer, der har holdt sammen på de enkelte dele under opsendelsen, er der to måder at aktivere mekanismen.
Man kan kun håbe, at de mange hundrede eksperter, hvis opgave det er at overvåge udfoldningen af teleskopet i juledagene og nytåret, har nogle forstående ægtefæller og børn.
29 dage på kanten
Og hermed er vi så kommet til de ’29 dage på kanten’, hvor James Webb langsomt men sikkert bevæger sig ud mod det fjerne L2.
Der er nemlig rigtig mange ting, der kan gå galt, og mange af dem er det, man kalder ’single point failures’.
Det betyder, at hvis der er noget, som ikke virker, så er der ikke noget reservesystem til at redde situationen.
Men heldigvis er ikke alle single point failures lige alvorlige. Det skriver Heidi Hammel, der er tilknyttet James Webb som tværfaglig videnskabelig medarbejder, i tidsskriftet ’The Planetary Report’:
»Hvis solskjoldet ikke foldes helt ud, så vil det virkelig ødelægge de infrarøde målinger i det langbølgede område, men måske kan vi redde målinger i det infrarøde lys, som har mindre bølgelængder tæt på synligt lys (near infrared, red.). Hvis spejlet ikke åbner fuldstændigt, så vi kun kan bruge de centrale dele af spejlet, ja, så mister vi meget lysfølsomhed – men teleskopet ville alligevel fungere.«
\ Læs mere
Men der er en enkelt single point failure, som kan lukke projektet fuldstændigt ned. Når lyset rammer det store spejl, så kastes det tilbage til et mindre sekundært spejl, som så sørger for, at lyset kan nå frem til instrumenterne, som er gemt omme bag hovedspejlet.
Hvis det sekundære spejl ikke folder sig ud, kommer der ikke noget lys frem til instrumenterne.
Hvis det ske er der kun én ting at sige, konstaterer Hammel: »The mission is over«. For Hammel vil dét være det værste øjeblik.
Der bliver virkelig meget at følge med i i løbet af de 29 dage, hvor James Webb er på vej mod L2. Det vil vi naturligvis følge op på til den tid, ligesom vi også vil fortælle noget mere om opgaverne for teleskopet.
Køreplanen
Indtil da kan vi da præsentere lidt af køreplanen for James Webb, der viser, hvor mange forberedelser der er, for at kunne tage teleskopet i brug.
- Lige efter start: Solcellerne frigøres, så de kan levere strøm til teleskopet
- Dag 1: Kurskorrektion, så kursen sættes direkte mod L2. Den store antenne foldes ud
- Den langsomme udfoldning af solskjoldet begynder
- Når solskjoldet er på plads, udfoldes sekundær spejlet
- Derefter kommer turen til hovedspejlet
- Fra Jorden følger ESA nøje, om teleskopet afkøles som beregnet, så der ikke kommer is på hverken spejl eller instrumenter
- Dag 29: Ankomst til L2. Teleskopet skal nu anbringes i en bane om L2
- Over en periode på mere end 3 måneder testes hovedspejlet ved at tage prøvebilleder. Det tager nemlig tid at justere de 36 små spejle, så de virker som et stort spejl
- Der foretages nogle prøvemålinger for at se, om alle systemer virker og arbejder godt sammen
- Efter et halvt år: James Webb er nu klar til at løse de videnskabelige opgaver.
\ De fem Lagrange-punkter
Valget af L2 som mål for teleskopet har ikke været let, først og fremmest fordi man dermed ikke har mulighed for at reparere teleskopet, som det jo flere gange er sket med Hubble.
Men inden vi ser på fordele og ulemper ved at anbringe James Webb i L2, skal vi have styr på de fem såkaldte Lagrangepunkter.
Punkterne er opkaldt efter den italiensk fødte matematiker og astronom Joseph-Louise Lagrange (1736-1813). Han regnes for en af 1700-tallets største matematikere, og det meste af sit liv arbejdede han i Frankrig, hvor han blev fransk statsborger.
I 1764 begyndte han at studere det såkaldte tre-legeme problem, hvor man ikke bare ser på to kloder, der kredser om hinanden som Jorden og Solen, men også har en tredje klode med, som altså bliver påvirket af tyngdekraften fra de to andre – og som jo også, afhængig af dens størrelse, påvirker de to andre kloder.
Selv om problemet er uhyre vanskeligt, så kom Lagrange med en delvis løsning på problemet otte år senere i 1772. Han viste, at hvis man betragter en planet i bane om Solen, så vil der være fem punkter, hvor en lille tredje klode kan befinde sig i hvile i forhold til planeten.
Det er nødvendigt, at den tredje klode er så lille, at man stort set kan se bort fra dens tyngdekraft – og det gælder jo, hvis den tredje klode er en lille asteroide, og i endnu højere grad hvis der er tale om et rumteleskop.
Beliggenheden af de fem punkter kan du se på ovenstående kort.
Af de fem punkter er kun de to, nemlig L4 og L5, stabile, forstået på den måde, at hvis man sender en rumsonde til L4 eller L5, så skal den nok blive der. De tre andre punkter - L1, L2 og L3 - er ustabile.
Alle planeter har Lagrangepunkter, og det Lagrangepunkt , James Webb har kurs mod, hører til Sol-Jord-systemet.
Kæmpeplaneten Jupiter har naturligvis også Lagrangepunkter, og i første omgang har rumsonden Lucy kurs mod L4, der befinder sig 60 grader foran Jupiter, men i samme bane som Jupiter. Da L4 er et stabilt punkt, befinder der sig et meget stort antal asteroider her.
Læs også: Rumsonden Lucy indleder sin 12 år lange rejse mod 7 asteroider
Vi vil her holde os til det Lagrangepunkt, som James Webb skal sendes til.
Matematisk befinder L2 i Sol-Jord systemet sig på en ret linje gennem Solen og Jorden, men 1,5 millioner kilometer længere borte fra Solen end Jorden.
Nu skulle man jo tro, at i L2 vil omløbstiden om Solen derfor være mere end et år, ganske som Mars-året er længere end Jord-året.
Men det er ikke tilfældet, for en klode (eller som her et teleskop), der befinder sig i L2, mærker jo en tyngdekraft rettet mod Solen, som er stærkere end den tyngdekraft, Solen alene kan levere. Jorden er jo med til at påvirke teleskopet.
Denne ekstra tyngdekraft betyder, at omløbstiden i L2 om Solen bliver nøjagtigt et år, så L2 følger pænt med Jorden rundt om Solen.
Uden denne ekstra tyngdekraft fra Jorden ville et teleskop i L2 være omkring 370 dage om en tur rundt om Solen, så L2 ville komme mere og mere bagud i forhold til Jorden, der jo har et år på 365 døgn.
Når James Webb ankommer til L2, vil den manglende stabilitet vise sig ved, at selv det mindste lille puf vil få teleskopet til at drive væk igen, så man skal altså gøre noget for at holde teleskopet på plads.
Det opnår man netop ved at anbringe James Webb i en bane om L2 med en omløbstid på omkring et halvt år, og så holde teleskopet på plads i denne bane ved hjælp af små styreraketter, der ikke bruger meget brændstof på den opgave.
Man har valgt denne bane om L2, fordi både Jorden og Månen kaster lange skygger ud i rummet, og dem vil man gerne undgå.
Ved at lade James Webb kredse om L2 kan man holde teleskopet helt ude af skyggerne, og på den måde har man så sikret sig en fremragende udsigt til universet 24/7.
Samlet vurderer forskerne, at fordelen ved at sende teleskopet til L2 mere end opvejer ulempen ved, at man på grund af afstanden ikke kan sende et hold astronauter ud og reparere teleskopet.
Læs også: 6,5 meter stort James Webb-teleskop er astronomiens store fremtidshåb
Læs også: Rumfarten i december: James Webb-teleskopet sendes op, og NASA overvejer ISS' efterfølger
