Na jaren wachten is het half december zo ver: de James Webb-ruimtetelescoop wordt gelanceerd. Deze infrarode grote broer van de Hubble-telescoop gaat onze kennis van veel gebieden binnen de sterrenkunde enorm vergroten. Van de chemische samenstelling van de atmosferen van exoplaneten tot het ontstaan van de eerste sterrenstelsels kort na de oerknal. Webb gaat alle bestaande metingen met minstens een factor 10 verbeteren. Maar hoe doet die telescoop dat? Waarom heet hij eigenlijk zo? En waarom hebben we er zo lang op moeten wachten? De Groningse SRON-astronoom Floris van der Tak legt het uit.
Ook voor wie wel eens vaker een ruimtetelescoop heeft gezien, is de James Webb Space Telescope (kortweg Webb) een bijzonder geval. Dat is met name vanwege zijn reusachtige spiegel van 6,5 meter doorsnee. Zelfs op aarde zijn maar een paar telescopen groter dan deze (zie bijvoorbeeld dit overzicht). Hij is zo groot dat zelfs een Ariane 5-raket, de grootste ter wereld, te klein is om Webb zomaar mee te nemen. De hoofdspiegel, de zonnepanelen en het zonnescherm worden daarom opgevouwen voor de lancering, en pas na aankomst in de ruimte uitgeklapt. Voor zonnepanelen is dat normaal, maar bij de spiegel moet het veel preciezer, en dat is nog nooit vertoond.
Hoewel NASA het uitklappen uitgebreid geoefend heeft, is dit het spannendste moment voor veel astronomen. Veel spannender dan de lancering zelf. Op het moment dat ik dit schrijf, wordt Webb verscheept naar de ESA-lanceerbasis van Kourou in Frans Guyana. De lancering is een Europese bijdrage aan het project. De precieze datum van het transport is trouwens geheim uit angst voor piraten die Webb willen kapen om losgeld te eisen. Pirates of the Caribbean, inderdaad.
James wie?
De naam James Webb is meteen al iets bijzonders. Normaal noemen NASA en ESA hun ruimtetelescopen naar beroemde sterrenkundigen. Zo heet de Hubble-telescoop naar Edwin Hubble (1889-1953), die ontdekte dat het heelal uitdijt, de Chandra-telescoop naar Subramanyan Chandrasekhar (1910-1995), die het bestaan van witte dwergsterren voorspelde, en de Kepler-telescoop naar Johannes Kepler (1571-1630), die ontdekte dat planeten in ellipsbanen om de zon bewegen. Soms glipt er ook een natuurkundige tussendoor. Zo is de Planck-telescoop genoemd naar Max Planck (1858-1947), die als eerste het golf- en het deeltjeskarakter van licht wist te combineren.
James Webb was echter geen natuur- of sterrenkundige, maar directeur van NASA in de jaren 60, tijdens de aanloop naar het Apollo-project. Veel sterrenkundigen waren verbaasd toen NASA de opvolger van de Hubble-telescoop (die tot dan NGST heette: Next Generation Space Telescope) in 2002 omdoopte tot Webb. Maar intussen is iedereen eraan gewend en vond niemand het raar toen WFIRST, een nieuwe infrarode ruimtetelescoop die de NASA op dit moment bouwt, in 2020 werd hernoemd naar Nancy Grace Roman, de eerste vrouwelijke hoofdingenieur van NASA.
Dat telescopen van naam veranderen, komt trouwens vaker voor. Zo heette de Spitzer-telescoop aanvankelijk SIRTF (Space Infrared Telescope Facility) en werd FIRST (Far-Infrared and Submillimeter Telescope) pas later Herschel genoemd. In Japan is het zelfs traditie om ruimtetelescopen pas hun definitieve naam te geven als ze veilig en wel in de ruimte zijn. Mocht er onderweg iets misgaan, dan is die naam niet besmet.
MIRI (verpakt in aluminium) geïntegreerd in de Integrated Science Instrument Module (ISIM) van de Webb. Foto copyright: NASA/Goddard Space Flight Center/Chris Gunn)
Wat doet Nederland?
Webb is een internationaal project, en Nederland draagt op allerlei gebieden bij. Belangrijke onderdelen van de mid-infrarode camera MIRI zijn gebouwd in het optische laboratorium van NOVA in Dwingeloo. Bovendien levert het nationale ruimteonderzoeksinstituut SRON (waar ik werk) belangrijke stukken van de software om MIRI te bedienen en de data te analyseren. Voor deze bijdragen krijgt Nederland een aantal uren gegarandeerde waarneemtijd op Webb, die vooral gebruikt gaat worden voor studies aan het ontstaan van planeten met MIRI.
Bovendien zijn Nederlandse astronomen heel succesvol geweest in het vergaren van open waarneemtijd, in competitie met collega’s van over de hele wereld. Veel van deze open tijd gaat naar studies van de vorming van sterrenstelsels in het jonge heelal. En er is bijvoorbeeld een programma over de samenstelling van ijslagen op stofdeeltjes in donkere wolken in onze Melkweg. Dankzij Herschel weten we al dat het water op aarde als zulke ijslagen ontstaan is, en met Webb hopen we te ontdekken welke stoffen nog meer op die manier zijn ontstaan.
Een kostbaar project …
Behalve buitengewoon groot en buitengewoon krachtig, is Webb ook buitengewoon duur. De kosten zijn vertwintigvoudigd van 500 miljoen dollar met lancering in 2007 naar 10 miljard dollar met lancering in 2021. Het komt vaker voor dat telescopen vertraging hebben, en dat leidt automatisch tot hogere kosten omdat de mensen die eraan werken moeten worden doorbetaald.
Is 10 miljard dollar nou veel geld voor een telescoop? Dat is maar hoe je het bekijkt. Het project ging van start in 1996 en loopt minimaal tot 2026, dus zeker dertig jaar. De VS hebben 335 miljoen inwoners, dus Webb kost per Amerikaanse belastingbetaler 30 dollar in totaal, en maar 1 dollar per jaar. En nog minder als je meeneemt dat Canada en Europa ook aan Webb bijdragen. Bovendien verdwijnt maar een klein deel van het geld de ruimte in. Het meeste is een investering in kennis en kunde op de grond. Die kosten moeten we afzetten tegen de golf aan nieuwe inzichten en ontdekkingen die we mogen verwachten.
… met veel vertraging
Veertien jaar vertraging is wel uitzonderlijk. De Europese infrarode ruimtetelescoop Herschel had bijvoorbeeld twee jaar uitstel, van 2007 naar 2009. Het enige project dat ik ken met nog meer vertraging is de Nederlandse robot-arm voor de ISS, maar dat kwam doordat de lancering heel vaak is uitgesteld. De vertraging van Webb komt vooral door de telescoop zelf. De instrumenten, waaronder de Europese mid-infrarode camera MIRI, zijn al in 2012 opgeleverd en liggen dus al bijna tien jaar in een magazijn. Dat betekent helaas dat deze instrumenten hadden kunnen profiteren van jaren extra ontwikkeling in de techniek. Het voordeel is dat de software van de telescoop en de instrumenten nu veel beter ontwikkeld is.
Waarom James Webb nu precies zoveel vertraagd is, weet alleen NASA. Maar allicht is de complexiteit van het uitvouwen van de hoofdspiegel (achttien segmenten van 1,3 meter en 40 kilo), de zonnepanelen, en het zonnescherm onderschat. Behalve de spiegel luistert het zonnescherm erg nauw. Dit bestaat uit vijf lagen metaalfolie van 21 bij 14 meter die dicht op elkaar zitten, maar elkaar absoluut niet mogen raken.
Adelaarsnevel: The Pillars of Creation. Foto: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Een paar jaar vertraging levert dus wel extra kosten op, maar is wetenschappelijk geen probleem. Ruimtetelescopen worden zo ontworpen dat hun doelen niet snel achterhaald zijn. Zo heeft het Europese ruimtevaartagentschap ESA dit jaar plannen ontvouwd voor de periode tot 2050. Dat is een tijdschaal die je verder alleen hoort als het over de overgang naar groene energie gaat. Ik was lid van een werkgroep die ESA hierover adviseerde, en we hebben allerlei ideeën voor ruimtemissies juist daarop beoordeeld dat hun doelen niet mogelijk binnen een paar jaar achterhaald zijn.
Toen Webb werd ontworpen (midden jaren 90) stond het ontstaan van sterren en sterrenstelsels volop in de belangstelling. Twee beroemde foto’s van Hubble illustreren dit mooi: een bijzonder fraaie van de Adelaarsnevel (hierboven), en een bijzonder diepe van het jonge heelal (hieronder). Een infrarode opvolger voor Hubble lag dus voor de hand: hoe ouder het licht des te roder het wordt (de zogenaamde roodverschuiving). Een infrarode telescoop kan dus dieper het heelal in kijken. Terug tot de tijd van de eerste sterren. Bovendien worden sterren geboren in wolken van stof, en in infrarood licht kijkt een telescoop daar beter doorheen dan in zichtbaar licht. Al te ver het infrarood in moet trouwens ook niet, want dan wordt het sterlicht wel erg zwak. Webb zit wat dat betreft precies goed.
Hubble Ultra Deep Field (Foto: NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team)
Van sterrenstelsels tot exoplaneten
Midden jaren 90 is voor ons lang geleden. Het was de tijd van de eerste mobiele telefoons, waarin nog haast niemand internet thuis had, laat staan een eigen email-adres. En ook in de sterrenkunde is sindsdien veel gebeurd. Het is niet zo dat de oorspronkelijke doelen van Webb achterhaald zijn, maar de Europese ver-infrarode ruimtetelescoop Herschel (2009-2013) en de submillimeter-interferometer ALMA in Chili (sinds 2012) hebben veel vragen over het ontstaan van sterren en sterrenstelsels opgelost en deze onderzoeksvelden in nieuwe richtingen bewogen. Bovendien waren midden jaren 90 de eerste ‘exoplaneten‘ (planeten bij andere sterren) net ontdekt, en moest de eerste planeet die voor zijn ster langs beweegt nog gevonden worden.
Tegenwoordig staan exoplaneten centraal in het internationale ruimte-onderzoek, en vormen ’transits’ (dat voorlangs schuiven) de methode bij uitstek om hun atmosferen te bestuderen. Met Webb kan dat wel, en er zijn (ook vanuit Nederland, en ook door mij) allerlei plannen ingediend om planeten buiten ons zonnestelsel met Webb te bestuderen, maar hij is er niet speciaal geschikt voor. Dat komt omdat Webb groot en log is.
Webb is gemaakt voor het vroege heelal, waarvoor je lang naar hetzelfde veld moet staren en geduldig fotonen moet verzamelen. Daarom is de spiegel zo groot en dat zonnescherm zo belangrijk. Maar voor planeten die af en toe voor hun ster langs bewegen is juist een wendbare telescoop nodig, die op het goede moment naar de goede ster kijkt. Wat Webb wel heel goed kan, is exoplaneten observeren die vlak naast hun ster staan (zoals HR 8799) Op dit gebied worden dan ook veel ontdekkingen verwacht.
Beperkte houdbaarheid
De missie van Webb duurt minstens vijf en maximaal tien jaar, dus de leeftijd van Hubble, die tegen de dertig loopt, gaat hij zeker niet halen. De levensduur van ruimtetelescopen wordt niet alleen beperkt door de hoeveelheid brandstof aan boord voor manoeuvres, maar ook door schade van kosmische straling en inslaande stofdeeltjes. Vooral electronica is kwetsbaar. In tegenstelling tot Hubble kunnen astronauten Webb niet repareren of bijtanken. Zijn baan ligt ver voorbij de maan, niet rondom de aarde zoals Hubble. Maar dat is niet zo erg. De reparatiemissies aan Hubble met de Space Shuttle waren per slot van rekening een technisch hoogstandje van NASA, en goed voor de PR, maar ook heel duur. Voor hetzelfde geld hadden astronomen een nieuwe ruimtetelescoop kunnen bouwen.
Na de lancering is Webb zes maanden onderweg naar de plek waar hij metingen gaat doen. Dat is ruim voorbij de maan, om geen last te hebben van infrarode straling van de aarde en de maan. Onderweg worden de spiegel, het zonnescherm, en de zonnepanelen uitgeklapt, en de instrumenten afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, om ze maximaal gevoelig te maken. De resultaten van de eerste metingen worden volgend jaar zomer verwacht. Net als veel astronomen kan ik haast niet wachten tot het zover is.
Fotocredits:
Hoofdfoto: Artist’s impression van de Webb-ruimtetelescoop. Copyright: ESA/ATG medialab
MIRI (verpakt in aluminium) geïntegreerd in de Integrated Science Instrument Module (ISIM) van de Webb. Foto copyright: NASA/Goddard Space Flight Center/Chris Gunn)
Adelaarsnevel: The Pillars of Creation. Foto: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Hubble Ultra Deep Field. Foto: NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team
