Een van ’s werelds grootste ruimteraketten staat klaar op het lanceerplatform van de Europese ruimtehaven in Frans-Guyana, Zuid-Amerika, niet ver van de evenaar. Boven in de 53 meter hoge raket is er net genoeg ruimte voor de enorme James Webb-ruimtetelescoop, die 1,5 miljoen kilometer de ruimte in zal worden gestuurd.
De belangrijkste lancering van het jaar begint op het moment dat er wordt afgeteld tot nul en de Ariane 5-raket wordt afgevuurd. Dankzij de kracht van drie grote raketmotoren schiet hij omhoog en vliegt hij in nog geen minuut door de geluidsbarrière.
Enkele minuten later bereikt de raket de grens met de ruimte. In het controlecentrum heerst euforie over de geslaagde lancering. Het is het begin van een belangrijke missie die tien jaar zal duren.
Dit is het scenario dat zich hopelijk in de late herfst zal ontvouwen, wanneer de Webb-telescoop eindelijk wordt gelanceerd.
De James Webb-telescoop zal bij het verhaal over het heelal de puntjes op de i zetten.
De telescoop, die is genoemd naar voormalig NASA-hoofd James Webb, is veruit de grootste, krachtigste en meest complexe ruimtetelescoop die ooit is gebouwd, en zal een revolutie in de astronomie teweegbrengen.
Astronomen kunnen er verder mee de ruimte in kijken dan ooit tevoren, nieuwe exoplaneten, sterren en sterrenstelsels fotograferen en analyseren, en de geschiedenis van het heelal in meer detail beschrijven dan nu mogelijk is.
Astronomen kijken er al 20 jaar naar uit
Maar zelfs als de lancering goed verloopt, kan er ongelofelijk veel misgaan tijdens de reis naar de bestemming.
De telescoop is zo groot dat hij alleen in de ruimteraket past als hij is opgevouwen. Bij de lancering ligt hij boven in de raket als een rups die later als een vlinder uit zijn pop zal komen.
Op zijn reis naar de ruimte wordt de James Webb-telescoop opgevouwen, zodat hij op de top van de Ariane 5-raket past.
Pas als alle onderdelen van de telescoop op de juiste manier zijn uitgeklapt, kunnen de ruim 1000 mensen uit 17 landen die hebben geholpen bij het ontwerpen, bouwen, testen en lanceren van de telescoop opgelucht ademhalen.
Zo ook de duizenden wetenschappers die al ruim 20 jaar wachten op gegevens van de nieuwe uitkijkpost in de ruimte.
Telescoop ontvouwt zich tijdens de reis
1. Telescoop laat raket los
Een half uur na de lancering heeft de machtige Ariane 5-raket de ruimtetelescoop op weg geholpen naar zijn baan. De bovenste trap van de raket laat de telescoop los, die de rest van de reis op eigen kracht aflegt.
2. Zonneschild rolt uit
Na drie dagen is de telescoop de maan gepasseerd en klapt het zonneschild van 150 vierkante meter uit. Het duurt een paar dagen voordat de juiste afstand tussen de vijf lagen waaruit het schild bestaat, is bereikt.
3. Spiegels komen op hun plek
11 dagen na de lancering moet het spiegelsysteem op zijn plaats zijn. Eerst komt de arm met de secundaire spiegel vrij. Dan klapt de hoofdspiegel zich uit, waarbij alle 18 deelspiegels nauw op elkaar aansluiten en één grote vormen.
Zodra de raket zijn werk heeft gedaan en de ruimtetelescoop een zetje heeft gegeven naar zijn eindbestemming, komt de volgende kritieke fase: het uitvouwen van het enorme zonneschild.
De instrumenten van de telescoop kunnen niet tegen hitte; ze werken het best in extreme kou. Daarom is het voor de missie van cruciaal belang dat een vliegervormig zonneschild zich in de ruimte op de juiste manier ontvouwt.
Uitgeklapt meet het schild 21,2 bij 14,2 meter. Het bestaat uit vijf lagen plasticfolie die dunner zijn dan een mensenhaar.
Elke laag is bedekt met een ultradunne laag aluminium die de zonnestralen terugkaatst naar de ruimte, zodat ze de gevoelige instrumenten niet kunnen treffen.
Zonneschild werkt als zonnebrandcrème factor 1.200.000.
Het is een technisch hoogstandje om zo’n 750 vierkante meter plasticmembranen zo samen te pakken dat ze met behulp van telescoopstangen automatisch uitklappen tot een perfecte, vijfvoudige parasol ter grootte van een tennisbaan ergens ver weg in de ruimte.
Ongetwijfeld zullen de ingenieurs op hun nagels bijten tijdens het wachten op de meldingen van de controlesystemen van de telescoop.
Maar als alles goed gaat, werkt het zonneschild voor de telescoop als een zonnebrandcrème factor 1.200.000. Dat betekent dat de temperatuur aan de schaduwzijde van het scherm slechts -225 °C zal bedragen.
Dat is nog te warm voor een van de instrumenten, dat met vloeibaar helium wordt gekoeld tot -266 °C, slechts 7 °C boven het absolute nulpunt.
In het laboratorium hebben NASA-technici de ontvouwing getest van het zonneschild van de James Webb-telescoop, dat bestaat uit 750 vierkante meter plasticfolie. In de ruimte moet de telescoop het werk alleen doen.
Zodra het zonneschild zich heeft uitgeklapt, kan het zwakke licht van verre hemellichamen worden opgevangen en geconcentreerd door de grote spiegel. Die zal ook opgevouwen zijn, tot de telescoop ver in de ruimte is.
De spiegel bestaat uit 18 zeshoeken die 1,32 meter van zijde tot zijde meten, en slechts 12 daarvan passen in één stuk in de raket. De laatste zes deelspiegels zijn gemonteerd op twee grote flappen, die op hun plaats draaien en daar worden vergrendeld.
De spiegels van de telescoop ontvouwen zich in twee stappen. Eerst schuift de secundaire spiegel uit de hoofdspiegel. Vervolgens klappen de twee grote flappen van de hoofdspiegel uit.
Zodra het zonneschild en de hoofdspiegel zijn uitgeklapt, hoeft de ruimtetelescoop alleen nog maar een koerscorrectie uit te voeren om zijn uiteindelijke baan te bereiken, waar hij de rest van zijn leven zal blijven.
Webb keert zijn rug naar de aarde
De telescoop zal in een baan om de aarde draaien op een punt dat L2 wordt genoemd, 1,5 miljoen kilometer van de aarde in een richting weg van de zon. Hier zal de telescoop in een stabiele baan worden geplaatst, zodat hij niet veel brandstof nodig heeft om daar te blijven.
En belangrijker nog: de telescoop in L2 zal altijd de zon en de aarde de rug toekeren.
De James Webb-telescoop zal om het L2-punt draaien, dat op 1,5 miljoen kilometer van de aarde ligt – bijna vier keer zo ver als de maan.
De telescoop is zo gevoelig dat het licht of de warmtestraling van de zon, de aarde of de maan de metingen zou bederven, dus is het belangrijk dat het zonneschild altijd het zicht op alle drie de hemellichamen blokkeert. Dan kan de telescoop zichzelf richten op verder weg gelegen hemellichamen in het heelal.
Als alles goed verloopt en de Webb-telescoop in uitgeklapte toestand zijn baan bereikt, kan de wetenschappelijke missie eindelijk beginnen: het verzamelen van waardevolle informatie over ons heelal.
Spiegels vangen onzichtbaar licht op
Als de Webb-telescoop is uitgeklapt en op zijn plaats is, begint de missie pas echt. De hoofdspiegel vangt infrarood licht – warmtestraling – van verre hemellichamen op, en de secundaire spiegel zendt dit naar de instrumenten van de telescoop.
1. Gouden spiegels vangen straling op
De hoofdspiegel bestaat uit 18 zeshoekige spiegels van het sterke en lichte metaal beryllium. De spiegels zijn tot op 20 miljoenste millimeter nauwkeurig geslepen en gecoat met goud, dat infrarode straling zeer goed weerkaatst.
2. Instrumenten analyseren licht
Het instrumentenpakket achter de spiegel bevat infraroodcamera’s en spectrografen. De laatste analyseren de golflengten, die aangeven wat de temperatuur en chemische samenstelling zijn van de objecten waarop de telescoop is gericht.
3. Zonneschild verlaagt temperatuur
De instrumenten kunnen niet tegen de hitte, en een zonneschild van 150 vierkante meter beschermt ze tegen de zon. Vijf lagen plasticfolie weerkaatsen de straling en houden de temperatuur onder de -225 °C.
Lancering is 14 jaar vertraagd
Het was een lange, moeizame weg naar de lancering van de 10 miljard dollar dure ruimtetelescoop, die wordt gesponsord door de VS, Canada en een aantal Europese landen. De telescoop is sinds eind jaren 1990 in ontwikkeling en volgens de oorspronkelijke plannen zou hij in 2007 worden gelanceerd.
Een reeks technische uitdagingen, problemen bij het verkrijgen van financiering en, recentelijk, de coronapandemie hebben de lancering vertraagd, maar nu heeft de telescoop de laatste van een lange reeks tests ondergaan en is hij klaar om de ruimte in te gaan.
Voor een test van 100 dagen werd de James Webb-telescoop opgesloten in NASA’s gecombineerde vacuüm- en diepvrieskamer, waar de optiek en de instrumenten aan ruimteachtige omstandigheden werden blootgesteld.
In de nazomer werd de ruimtetelescoop in een grote container verpakt en van de VS naar de ruimtehaven in Frans-Guyana verscheept. Alles is klaar voor de lancering op 31 oktober, maar de datum kan nog veranderen als het weer of technische problemen met de ruimteraket roet in het eten gooien.
Verder zicht met grote spiegel
Al tientallen jaren wachten astronomen geduldig op een nieuwe, grote ruimtetelescoop die een waardige opvolger zou kunnen zijn van de beroemde Hubble-telescoop, die sinds 1990 goede diensten heeft bewezen.
Ze zullen juichen wanneer in 2022 de eerste wetenschappelijke gegevens binnenstromen, want de Webb is veel meer dan een update van de Hubble.
Ten eerste is hij veel groter dan zijn voorganger. Waar de Hubble een ronde spiegel heeft met een oppervlakte van 4,5 vierkante meter, is de veelhoekige spiegel van de Webb 25 vierkante meter groot.
De grootte van de spiegel bepaalt hoeveel licht van zeer verre objecten de telescoop kan opvangen. Hoe groter de spiegel, hoe verder de telescoop kan kijken. Bovendien zorgt een grote spiegel voor meer scherpte en meer detail in de beelden.
De spiegel van de James Webb-telescoop (r) is meer dan vijf keer zo groot als die van de Hubble-telescoop (l) en zal dus meer gedetailleerde beelden opleveren.
Maar net zo belangrijk is het dat de nieuwe ruimtetelescoop het heelal anders zal zien dan wij met onze ogen doen, en anders dan waarvoor de Hubble-telescoop in de eerste plaats was ontworpen.
Hij zal het infrarode heelal waarnemen, dat voor ons onzichtbaar is. Dit is ook de reden waarom de Webb-telescoop veel verder de ruimte in moet gaan dan de Hubble, die op een bescheiden hoogte van circa 540 kilometer in een baan om de aarde draait. Hier zouden de infraroodmetingen worden verstoord door warmtestraling van de aarde.
Infrarood zicht vraagt om gouden spiegels
De spiegel van de Hubble is bekleed met aluminium, dat zichtbaar licht naar de camera’s van de telescoop kaatst. Maar omdat de nieuwe ruimtetelescoop met infrarood licht werkt, is aluminium of een ander glanzend materiaal niet bruikbaar. Daarom zijn de spiegels gecoat met puur goud, dat infrarood licht veel beter reflecteert.
Met zijn grotere spiegel en infraroodbeelden (r) zal de James Webb-telescoop door nevels kunnen kijken en sterren kunnen opsporen die voor gewone telescopen onzichtbaar zijn (l).
Astronomen zullen niet dezelfde prachtige, levensechte beelden krijgen die we van andere telescopen kennen, maar beelden waarbij het infrarode licht wordt ‘vertaald’ in iets wat we kunnen zien. Het idee is dat we hemellichamen te zien krijgen die tot nu toe voor ons verborgen waren.
Op zoek naar leven in de ruimte
In tegenstelling tot zichtbaar licht kan infrarood licht doordringen in de kolossale stofwolken waar sterren en hun planeten ontstaan. Met de nieuwe telescoop kunnen wetenschappers de verschillende stadia van de geboorte van sterren observeren, en zelfs zien hoe stof en gas planeten rond die sterren vormen.
Sinds 1995 hebben astronomen duizenden planeten ontdekt die om verre sterren draaien, en het is inmiddels duidelijk dat de meeste sterren aan de hemel planeten om zich heen hebben. De volgende stap: kijken of sommige van die exoplaneten levende wezens kunnen herbergen.
De Webb-telescoop neemt de temperatuur van exoplaneten op.
De infraroodcamera’s van de Webb-telescoop kunnen de warmtestraling opvangen die door verre planeten wordt uitgezonden, en zo hun temperatuur bepalen terwijl ze worden gefotografeerd.
Verder bevat de infrarode straling informatie over de luchtkwaliteit van de planeten. Bij het instrumentarium van de telescoop horen spectrografen, die het infrarode licht splitsen in de golflengten waaruit het is samengesteld, en die samenstelling kan uitwijzen welke gassen in de atmosfeer aanwezig zijn.
Zo kunnen astronomen meer te weten komen over de omstandigheden voor leven en misschien zelfs stoffen vinden die wijzen op biologische activiteit. De telescoop kan ons dus dichter bij een antwoord brengen op de vraag of we alleen zijn in het heelal.
Een ander groot geheim van het heelal kan ook alleen worden onthuld met een grote, infrarode ruimtetelescoop. Die is nodig als astronomen de allereerste sterren willen opsporen die al in de kindertijd van het heelal werden ontstoken.
Het eerste licht wordt zichtbaar
Het licht dat ruim 13 miljard jaar geleden door de eerste sterren en sterrenstelsels werd uitgezonden, bestaat niet langer als zichtbaar licht. Door de uitdijing van het heelal zijn de lichtgolven uitgerekt, waardoor de golflengte is toegenomen.
Hierdoor is zichtbaar licht veranderd in infrarode straling met de golflengten die de nieuwe ruimtetelescoop kan opvangen.
5 raadsels wachten op de Webb-telescoop
Duizenden astrofysici dromen ervan de Webb-telescoop te gebruiken voor hun waarnemingen. Ze hopen enkele van de grootste vragen in de astronomie te beantwoorden.
1. Wanneer ontstonden de eerste sterrenstelsels?
Het heelal is al 13,8 miljard jaar aan het uitdijen, en de allereerste sterren en sterrenstelsels zijn nu miljarden lichtjaren ver weg. Het licht daarvan is omgezet in infrarode golflengten die de Webb-telescoop kan opvangen.
2. Kunnen exoplaneten leven herbergen?
De Webb-telescoop kan exoplaneten fotograferen en meten of hun atmosfeer zuurstof, methaan, waterdamp of andere gassen bevat die op leven zouden kunnen duiden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de objecten rond de ster TRAPPIST-1.
3. Hoe worden nieuwe zonnestelsels gevormd?
Wetenschappers denken dat sterren en hun planeten ontstaan wanneer een wolk van waterstofmoleculen en stof instort. De Webb-telescoop kan uitwijzen of ze gelijk hebben, omdat hij door de sterrennevels kan kijken waarin de formatie plaatsvindt.
4. Waar bestaan Neptunus en Uranus uit?
De Webb-telescoop kan ons wat leren over de twee buitenste planeten in het zonnestelsel, Uranus en Neptunus. De telescoop zal onder andere hun temperatuur meten en de chemische samenstelling van hun buitenste lagen in kaart brengen.
5. Hoe is donkere materie verdeeld?
Veruit de meeste materie in het heelal is onzichtbaar, omdat het geen licht uitzendt of absorbeert. Maar donkere materie buigt de baan van het licht af, en de Webb-telescoop kan dit effect zien en de verdeling van de materie in kaart brengen.
Astronomen denken dat de eerste sterren heel anders waren dan de sterren die we nu aan de hemel zien, omdat de samenstelling van de elementen toen afweek – er waren bijna alleen waterstof en helium in het heelal.
Dit kan tot extreem grote en heldere sterren hebben geleid, die snel opbranden. Ze zijn niet te zien met de Hubble-telescoop of andere bestaande telescopen, maar de Webb-telescoop zou het licht van die sterren en van de vroege sterrenstelsels waarin ze zijn gevormd, moeten kunnen oppikken.
Reuzenantennes staan klaar
Met zijn infraroodzicht is de telescoop een soort tijdmachine, die wetenschappers toegang geeft tot de hele geschiedenis van het heelal. Vanaf zijn uitkijkpost op 1,5 miljoen kilometer afstand zal hij gegevens naar de aarde zenden via NASA’s Deep Space Network, dat bestaat uit enorme radioantennes in Australië, Spanje en de VS.
De grootste antennes hebben een diameter van 70 meter, dus ondanks de grote afstand zullen ze de radiosignalen van de telescoop makkelijk kunnen opvangen.
Maar voordat de Webb-telescoop zijn gegevens naar de aarde kan sturen, moet hij worden gelanceerd, en daarbij mag er niets misgaan.
VIDEO: Volg de reis van de James Webb-telescoop van minuut tot minuut
In deze prachtige animatie kun je het precieze tijdschema van de 29-daagse reis van de Webb-telescoop volgen.
Als de raket tijdens de lancering explodeert, het zonneschild zich niet goed ontvouwt of de spiegels hun juiste plaats in de ruimte niet vinden, gaan tientallen miljarden dollars en jaren werk van duizenden mensen verloren. Er kunnen geen astronauten op af worden gestuurd om de telescoop te repareren als hij eenmaal gelanceerd is.
De komende maanden zullen zenuwslopend zijn, maar hopelijk zal alle inspanning worden beloond met verbazingwekkende nieuwe kennis over ons heelal.
