Trzeba było czekać 10 lat dłużej, niż planowali inżynierowie NASA, ale w końcu ludzkość będzie miała nowe oko na Wszechświat. I to oko widzące w podczerwieni. Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba wystartował. Pierwsze owoce misji poznamy za pół roku.
Już pięć lat po wysłaniu „Hubble’a” na orbitę, astronomowie zaczęli się zastanawiać, jak będzie wyglądał kolejny flagowy teleskop kosmiczny. Z tych rozważań wykluł się pomysł stworzenia imponującego teleskopu obserwującego Wszechświat w podczerwieni. Teleskop miał być wyniesiony w przestrzeń kosmiczną w 2011 roku.
Kiedy jednak zespół naukowców i inżynierów zaczął mierzyć się z zadaniem, okazało się, że zaprojektowanie niezwykle czułego, ogromnego instrumentu, który jednocześnie musi się zmieścić do stosunkowo niewielkiej kapsuły na szczycie rakiety, stanowi nie lada wyzwanie. W efekcie start teleskopu przesuwano na kolejne daty przez całą dekadę. Wreszcie 25 grudnia 2021 r. Kosmiczny Teleskop imienia Jamesa Webba poleciał na orbitę. Po uruchomieniu wszystkich instrumentów pozwoli nam zobaczyć Wszechświat w zupełnie innych barwach.
Radosław Kosarzycki: Po tylu latach oczekiwania Kosmiczny Teleskop imienia Jamesa Webba w końcu poleciał w przestrzeń kosmiczną.
Dr Andrzej Kotarba, Centrum Badań Kosmicznych PAN: Udało się. W misjach kosmicznych nic nigdy nie jest na sto procent pewne i zawsze coś może się zmienić, nawet w ostatniej chwili. Lub pójść „nie tak”. Rakiety czasem też ulegają awarii. Biorąc pod uwagę rangę misji „Webba”, koszt i czas przygotowania teleskopu... emocje są bardzo, bardzo duże!
A właściwie to po co on leci w tę przestrzeń kosmiczną?
Najważniejszym powodem wysyłania teleskopów w kosmos jest chęć prowadzenia obserwacji, które są fizycznie niewykonalne z powierzchni Ziemi.
Gdy patrzymy na nocne niebo i widzimy gwiazdy, planety, galaktyki, wydaje nam się, że oto kosmos objawia nam się w pełnej okazałości. Tak nie jest.
Nasze oczy dostrzegają tylko niewielki wycinek Wszechświata – ten, który świeci, czyli jest obserwowalny w zakresie promieniowania widzialnego (światła). Tymczasem wiele zjawisk na niebie uwidacznia się w innych zakresach widma. W uproszeniu można powiedzieć, że kosmos „świeci” też m.in. w ultrafiolecie i podczerwieni.
Niestety, zakresy te są niedostępne dla ludzkich oczu (ogranicza nas biologia). Co gorsza, nie są również dostępne dla elektronicznych detektorów. Tu barierą jest obecność atmosfery. Gazowa otoczka Ziemi zachowuje się bowiem jak filtr fotograficzny i blokuje pewne zakresy promieniowania. Gdybyśmy mogli magicznie przełączyć nasz wzrok na tryb „podczerwień” lub „ultrafiolet”, okazałoby się, że nocne niebo jest... niemal czarne. Prawie całe promieniowanie wysłane do nas w tych zakresach przez obiekty astronomiczne zostaje pochłonięte przez gazy w atmosferze.
Chęć „wyłączenia” tego atmosferycznego filtra to pierwszy czynnik motywujący naukowców do budowy kosmicznych teleskopów.
A drugi powód?
Jest równie istotny. Chodzi o jakość uzyskiwanych danych. Nawet jeśli atmosfera jest przezroczysta dla jakiegoś zakresu promieniowania, to mimo wszystko dodaje coś od siebie. Niestety, tym dodatkiem są zakłócenia. Dobrym przykładem jest migotanie gwiazd, czyli zmiana pozornej jasności wywołana subtelnymi ruchami powietrza w atmosferze. Skala takich zmian pozornych jest czasami większa niż zakres zmian faktycznych (własnych zmian jasności gwiazdy). W efekcie sygnał, który chcą badać astronomowie, tonie w morzu szumów. By ratować sytuację i uwolnić się od zakłóceń generowanych przez atmosferę, trzeba z tej atmosfery po prostu uciec.
To dlatego także na ziemi teleskopy buduje się w nieprzypadkowych miejscach?
Tak. Na lokalizację teleskopów wybiera się szczyty wzniesień, dzięki czemu większość atmosfery zostaje poniżej poziomu obserwatorium. A im mniej powietrza między teleskopem a kosmosem, tym – oczywiście – mniejsze zakłócenia. Dodatkowo wybiera się lokalizacje w klimatach zwrotnikowych. Tamtejsza atmosfera jest z natury bardzo sucha, co w praktyce gwarantuje mniejsze zachmurzenie i możliwie niewielki wpływ pary wodnej. A ponieważ takie regiony są zazwyczaj bezludne, jednocześnie unika się problemu związanego z zanieczyszczeniem świetlnym. Jeśli więc chcemy udać się na wycieczkę do któregoś z czołowych ziemskich obserwatoriów astronomicznych, czeka nas wspinaczka na kilkukilometrowe szczyty Hawajów lub Wysp Kanaryjskich, ewentualnie spacer po pustynnych regionach Chile lub RPA.
Kosmiczny Teleskop imienia Jamesa Webba to faktycznie swego rodzaju następca teleskopu Hubble’a?
Określanie Kosmicznego Teleskopu im. Jamesa Webba następcą słynnego „Hubble’a” jest pewnym nadużyciem. „Webb” nie przejmuje pałeczki po „Hubble’u”, nie będzie kontynuował jego zasadniczego programu badawczego. Choć obydwa teleskopy są kosmiczne i obydwa są optyczne (używają luster do kierowania wiązki promieniowania), są mimo wszystko misjami o wyraźnie innym profilu naukowym. Nie wspominając o kwestiach konstrukcyjnych.
Wydaje mi się, że określenie „następca” wynika głównie z faktu, że dla większości osób Kosmiczny Teleskop im. Hubble’a to jedyny kosmiczny teleskop, jaki istnieje czy o jakim słyszeli. A przecież na orbitę trafiły już dziesiątki obserwatoriów astronomicznych! Spektakularne porażki i sukcesy misji „Hubble’a” spowodowały jednak, że stał się on zjawiskiem popkulturowym. W końcu o ilu kosmicznych teleskopach nakręcono filmy?
Medialna popularność „Hubble’a” siłą rzeczy uczyniła go punktem odniesienia w dyskusjach o wszelkich innych kosmicznych teleskopach. Skorzystały z tego działy PR agencji kosmicznych, budując zainteresowanie nową misją. Jakkolwiek nie nazywały „Webb’a” następcą „Hubble’a”, często i gęsto zestawiały ze sobą stare i nowe obserwatorium.
Łącząc te elementy, dochodzimy do następującego rozumowania: ponieważ dotychczas istniał tylko jeden kosmiczny teleskop, a teraz będzie jakiś nowy, superzaawansowany, to chyba oczywiste, że ten nowy będzie następcą dotychczasowego...
Czym więc różni się „Hubble” od „Webba”?
O specyfice teleskopu decydują problemy badawcze, które będą rozwiązywane przy pomocy danych uzyskanych z danego obserwatorium. By dane spełniły oczekiwania naukowców, teleskop musi osiągnąć określony kształt – w sensie stricte inżynieryjnym.
Kosmiczny Teleskop im. Hubble’a został skonstruowany z myślą o obserwacjach w zakresie widzialnym. Wyposażony w lustro główne o średnicy 2,4 metra nie ma sobie równych w rejestrowaniu światła. Dodatkowo ma możliwość rejestrowania niewielkich zakresów promieniowania podczerwonego i ultrafioletu – tych najbliższych światłu. Aby zapewnić najwyższą jakość obrazów, konieczne było ograniczenie drgań zwierciadła głównego. Pojawiałyby się one w konsekwencji naprzemiennego nagrzewania i stygnięcia tego elementu (specyfika pracy na orbicie). Zdecydowano zatem, by lustro nieustannie ogrzewać. Aktualnie ma ono stałą temperaturę ok. 15 stopni Celsjusza.
Ale to, co sprawdziło się dla „Hubble’a”, dla „Webba” byłoby zabójcze. Nowy teleskop ma na celu prowadzenie obserwacji w zakresie podczerwieni. Przy okazji zahaczy trochę o zakres widzialny – w podobny sposób jak „Hubble” zahaczał o podczerwień. Zatem obserwacje w podczerwieni wymagają, by nie ogrzewać, a schłodzić wszystko, co się da, tak bardzo jak się da. Ciepłe elementy (elektronika, zwierciadło) same z siebie stają się bowiem źródłem promieniowania podczerwonego! Teleskop może więc sam sobie uniemożliwić prowadzenie obserwacji. By temu zapobiec, lustro „Webba” będzie chłodzone do temperatury -220 stopni Celsjusza.
Główną różnicą między teleskopami jest więc odmienny zakres promieniowania, jakie mają rejestrować, a co za tym idzie, odmienna konstrukcja i odmienne warunki pracy. Mając tę świadomość, możemy raz jeszcze zapytać o ewentualnego przodka dla „Webba”. Merytorycznie bardziej zasadnym kandydatem byłby wtedy raczej Kosmiczny Teleskop im. Spitzera, a nie „Hubble”. „Spitzer” również obserwował kosmos w zakresie podczerwieni, jednak głównie w dłuższych falach i ze znacznie mniejszą szczegółowością obrazu.
To załóżmy teraz, że znajdujemy się w przestrzeni kosmicznej i nauka posunęła się na tyle do przodu, że mamy wbudowany w skroń przełącznik zakresu, w jakim obserwują nasze oczy. Przełączamy się z zakresu widzialnego na podczerwony: co widzimy?
Z jednej strony widzimy to, co znamy, ale inaczej. Z drugiej – dostrzegamy pewne rzeczy, których wcześniej nie było „widać”.
To, ile i jakiego promieniowania do nas dociera, wynika z charakteru procesu, w czasie którego doszło do uwolnienia (emisji) promieniowania. Ponieważ przełączyliśmy się na fale podczerwone, mamy wgląd w procesy i zjawiska mniej energetyczne. Nagle zaczynają „świecić” m.in. obiekty gwiazdopodobne, np. brązowe karły czy gazowe planety-olbrzymy. W zakresie widzialnym mogą być one niewidzialne lub trudno dostrzegalne. O wiele łatwiej jest nam też wykryć planetę pozasłoneczną, która dotąd kryła się w blasku swojej gwiazdy – w podczerwieni gwiazdy bywają mniej oślepiające, a planety jaśniejsze.
W porównaniu ze światłem – to domena „Hubble’a”, podczerwień to fale dłuższe, a więc swobodniej penetrujące obszary wypełnione pyłem, np. regiony narodzin gwiazd czy dyski, w których formują się planety. Światło w takich ośrodkach jest silnie rozpraszane. Co prawda daje to spektakularne efekty wizualne (te przepiękne obrazy z „Hubble’a”!), ale uniemożliwia badanie zjawisk i procesów zachodzących wewnątrz takich protogwiazdowych czy protoplanetarnych kokonów. Mimo wszystko chcielibyśmy jednak je poznać.
Pamięta pan słynne Filary Stworzenia?
Te tak dobrze ujęte przez Hubble’a obrazy kolumn gęstego pyłu…
Właśnie te. Za pomocą „Webba” będziemy mogli zobaczyć, co się w nich znajduje! Ale także za nimi, bo pył przestanie być przeszkodą – dzięki użyciu podczerwieni w pewnym sensie przerzedzi się lub wręcz zniknie.
A co przede wszystkim będzie obserwował Kosmiczny Teleskop imienia Jamesa Webba? Jakie obiekty kosmiczne będą głównym celem?
Priorytetem są dwa obszary badawcze. Jeden to wspomniane już obszary formowania się gwiazd i planet czy też jądra galaktyk – wszystkie te tajemnicze, „zapylone” zakątki Wszechświata.
Drugim obszarem zainteresowania naukowców są najstarsze galaktyki. W zasadzie pierwsze, które w ogóle zaistniały we Wszechświecie ledwie dwieście milionów lat po jego powstaniu. By je dostrzec, trzeba posłużyć się właśnie podczerwienią. To dlatego, że promieniowanie wysłane w kosmos miliardy lat temu jako światło na skutek ekspansji Wszechświata dociera do nas dzisiaj w postaci fal z zakresu podczerwieni. „Hubble” nie był w stanie się im przyjrzeć – najmłodszy Wszechświat, jaki ów słynny teleskop uchwycił, miał ok. 500 milionów lat (tzw. ultragłębokie pole Hubble’a z zastosowaniem podczerwieni, raczej jednorazowa obserwacja niż wynik rutynowych prac).
„Hubble” stał się swego rodzaju ikoną popkultury dzięki fenomenalnym zdjęciom, które szerokiej opinii publicznej ukazały Wszechświat w pełni jego barw i kształtów. Czy zdjęcia z „Webba” będą równie zachwycające?
Trudno na to pytanie odpowiedzieć jednoznacznie. Z pewnością nie będą to takie same obrazy. Chociażby dlatego, że powstaną w podczerwieni. Patrząc na to samo, co „Hubble”, „Webb” zobaczy coś innego – czasem tylko trochę, czasem zaś bardzo. To może w pierwszej chwili zaskoczyć fanów „fotek z Hubble’a” spodziewających się zdjęć kilkadziesiąt razy bardziej szczegółowych. Poprawa szczegółowości obrazów, owszem, będzie ogromna, ale przede wszystkim dla wąskiego zakresu podczerwieni, który jest wspólny dla obydwu teleskopów. W dalszej podczerwieni „Webb” nie będzie miał sobie równych. Stanie się dla tego zakresu fal tym, czym „Hubble” stał się dla światła.
No i nie zapominajmy, że oszałamiające barwą grafiki z NASA to jednak efekt pracy sztabu grafików. Surowe obrazy z kosmicznych teleskopów są nieco zaszumione, a do tego zawsze czarno-białe. Wymagają nieco edycji w programach graficznych, zanim otrzymają postać, w jakiej nam są przedstawiane. Przyszłość pokaże, czy równie efektownej obróbce poddane zostaną obrazy z „Webba”.
Po co takie upiększanie?
To proste: komunikat musi być dostosowany do odbiorcy. Astronomów interesuje jasność obiektów, jej rozkład widmowy, fluktuacje itp. Oceniają klasę misji kosmicznej po jakości danych. Dla większości społeczeństwa zagadnienia te są czarną magią. W odróżnieniu od pięknej grafiki, którą można cieszyć oko bez konieczności zaliczenia studiów z astrofizyki. Ładne zdjęcie jest... po prostu ładne. Bez względu na to, czy jakiś obiekt w kosmosie faktycznie ma takie kolory, czy zostały one „podrasowane” lub zniekształcone, np. przez włącznie danych w zakresie ultrafioletu czy podczerwieni.
Podziwiając piękno zdjęć astronomicznych, opinia publiczna ma szansę na swój sposób współuczestniczyć w przedsięwzięciu, na które się przecież zrzuciła. Nie zapominajmy, że „Hubble’a” i „Webba” zbudowano z pieniędzy podatników – amerykańskich, kanadyjskich, ale też i europejskich. Partnerem w obydwu przedsięwzięciach jest Europejska Agencja Kosmiczna, do której od 2012 roku należy też Polska.
Mówił pan o dyskach protoplanetarnych, ale wróćmy jeszcze na chwilę do planet pozasłonecznych, czyli egzoplanet, które pobudzają wyobraźnię szerokiej publiczności. Czy „Webb” będzie przyglądał się także im?
Z planetami pozasłonecznymi to jest w ogóle ciekawa sytuacja. W chwili gdy wynoszono na orbitę Kosmiczny Teleskop im. Hubble’a (wiosna 1990 roku), nie znaliśmy jeszcze ani jednej planety poza Układem Słonecznym. Pierwsze odkryto w 1992 roku, a na szeroką skalę „polowanie na egzoplanety” rozkręciło się dopiero po roku 2000 roku. „Hubble” odegrał w nim rolę marginalną, gdyż powstawał w zupełnie innym celu. Natomiast gdy tylko było to możliwe, pomagał badać globy w odległych układach planetarnych.
„Webb” również nie jest pomyślany jako łowca egzoplanet. Byłby w tym po prostu mało efektywny. Jest raczej mikroskopem do przyglądania się konkretnym obiektom, niźli szerokokątnym detektorem nieustannie monitorującym duże połacie nieba. I ten właśnie mikroskop będzie wielokrotnie kierowany na znane układy planetarne w celu dostarczenia bliższych informacji o planetach, jakie tam istnieją. Możliwości, jakimi dysponuje, są wręcz fenomenalne.
A co nam to może dać?
Nie ma co liczyć na zdjęcia powierzchni egzoplanet. Ciała te są tak małe i tak odległe, że nawet w oczach „Webba” pozostaną jedynie pojedynczymi pikselami. Teleskop będzie jednak w stanie określać skład chemiczny atmosfer tych planet. Dzisiaj udaje się to głównie dla dużych egzoplanet, szczególnie tych, które krążą stosunkowo daleko od swoich słońc. „Webb” dzięki wysokiej rozdzielczości i czułości w podczerwieni zdoła przyjrzeć się mniejszym globom, w ciaśniejszej konfiguracji orbitalnej. W ten sposób pomoże m.in. w poszukiwaniu hipotetycznej „drugiej Ziemi”, swoistego Świętego Graala planetologii – skalistego globu wielkości Ziemi, okrążającego gwiazdę podobną do Słońca i po orbicie podobnej do ziemskiej. Gdyby taka druga Ziemia miała również atmosferę zawierającą wodę, a „Webb” pomoże to ustalić, to kto wie, może pojawiłoby się na niej jakieś życie?
Sądzi pan, że uda się odkryć oprócz tego jakieś obiekty czy zjawiska, o których istnieniu teraz nikt jeszcze nie wie? Coś nas zaskoczy?
Przyznam, że nie kojarzę misji kosmicznej, w trakcie której naukowcy nie obserwowaliby jakiegoś nowego zjawiska czy obiektu. Samo to, że Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba zajrzy w najstarsze regiony Wszechświata, jest w zasadzie gwarancją „nowości”. Otwieramy zupełnie nowe okno na Wszechświat. Czekam z ekscytacją na pierwsze widoki z tego okna.
Dr Andrzej Z. Kotarba – doktor nauk o Ziemi na Uniwersytecie Jagiellońskim. Od 2010 roku pracownik Centrum Badań Kosmicznych PAN w Zakładzie Obserwacji Ziemi. Zawodowo zajmuję się klimatologią satelitarną oraz badaniami zanieczyszczenia światłem. Jego artykuły można znaleźć na stronie Czarne Światło.
