Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rejestruje niewyobrażalnie dalekie galaktyki, dzięki niemu zobaczyliśmy już narodziny i umieranie gwiazdy. Czy za sprawą jego misji czeka nas kolejny przełom w nauce? Rozmowa z Przemysławem Walczakiem, astronomem z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego.

Kilka dekad po lądowaniu człowieka na Księżycu wyobraźnię naukowców i laików rozpala teleskop nazwany na cześć Jamesa E. Webba (administratora NASA odpowiadającego za program Apollo). Wystrzelony z Ziemi w czasie pandemii zdążył już zrobić sporo spektakularnych zdjęć odległych galaktyk.

Jan Pelczar: Misja teleskopu Webba, wzbudzająca dziś sporo emocji, długo stała pod znakiem zapytania. Dlaczego?

Przemysław Walczak: Misje kosmiczne są bardzo drogie. Kilkanaście albo kilkadziesiąt razy droższe niż budowa teleskopu prowadzącego obserwacje z Ziemi. Pierwotnie zakładano, że projekt będzie kosztował 1,6 mld USD. Jednak po drodze były ciągłe opóźnienia i rosnące z roku na rok koszty. Powołany w 2010 r. niezależny zespół ekspertów oszacował, że przedsięwzięcie pochłonie 6,5 mld USD, a wyniesienie teleskopu na orbitę nastąpi nie wcześniej niż w 2015 r. Kolejna rewizja programu, w sierpniu 2011 r., zakładała całkowity koszt na poziomie 8,7 mld USD przy starcie misji zaplanowanym na 2018 r. Chociaż samo zwierciadło było gotowe w 2016 r., jej rozpoczęcie przesuwano jeszcze kilka razy. W rezultacie nastąpiło ono dopiero 25 grudnia 2021 r. Opóźnienie wyniknęło również z tego, że projekty, które są wtórne, tzn. robią coś, co już kiedyś osiągnięto, rzadko uzyskują akceptację. Teleskop Webba był projektowany w celu uzupełnienia badań teleskopu Hubble’a, nie po to, by go zastąpić. Teraz bywa nazywany jego następcą, mimo że nie prowadzi takich samych obserwacji.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Na czym polega różnica?

Chodzi o długość rejestrowanych fal. Teleskop Hubble’a jest optyczny, działa głównie w świetle widzialnym, łapie trochę ultrafioletu. Natomiast teleskop Web­ba obserwuje w podczerwieni, bliskiej i średniej. To wymagało czasochłonnej zmiany konstrukcji zarówno luster, jak i detektorów. Okazało się, że trudno zbudować sprzęt, który byłby w stanie rejestrować podczerwień z pożądaną przez naukowców dokładnością.

Ale teleskop Jamesa Webba nie jest pierwszym kosmicznym teleskopem, który obserwuje w podczerwieni.

Tak, mieliśmy już chociażby Spitzera, którego misja była dosyć udana, a jeszcze wcześniej m.in. IRAS-a, jednak były to teleskopy o znacznie mniejszej, niespełna metrowej średnicy lustra. Teleskop Jamesa Webba ma 6,5-metrowe lustro, co pozwala na nieporównanie wyższą rozdzielczość. W dodatku rejestracja promieniowania podczerwonego jest kłopotliwa, wymaga pracy w bardzo niskiej temperaturze. Ludzkie ciało świeci w podczerwieni, a jego ciepłota wynosi 36°C, co oznacza, że teleskop Jamesa Webba zarejestrowałby obecność człowieka. Uchwyciłby też promieniowanie generowane przez sam sprzęt do obserwacji. Dlatego całe urządzenie trzeba było mocno schłodzić: wszystkie części, które w jakikolwiek sposób się nagrzewają, musiały zostać odseparowane od lustra teleskopu i detektora.

Jak sprawić, żeby teleskop się nie nagrzewał?

To niełatwe zadanie, bo aparatura naukowa musi pracować, podczas gdy teleskop jest wystawiony na promieniowanie słoneczne. Należało wyposażyć go w osłonę termiczną. Teleskop Webba ma żagiel składający się z pięciu warstw nowoczes­nego materiału – bardzo cienkiego, niezwykle lekkiego, a przy tym odbijającego promieniowanie Słońca. Ten materiał przysporzył najwięcej problemów: darł się i zahaczał podczas prób rozkładania. Wielokrotnie właśnie z tego powodu przekładano start.

Nie można było przygotować wszystkiego w jednym kawałku?

Teleskop jest na tyle duży, że nie mógł polecieć w kosmos w całości. Trzeba było go skonstruować tak, aby dało się go złożyć, spakować do mniejszego pudełka i rozłożyć po wystrzeleniu. Sam teleskop waży 6,5 tony. Drugim składnikiem jest 350-kilogramowa platforma z kompozytu grafitowego, na której umieszczono kable, instalacje, urządzenia obliczeniowe, komunikacyjne i napędowe. To tam znajdują się centralny komputer, pamięć operacyjna oraz procesor i oprogramowanie do komunikacji między aparaturą naukową, pamięcią komputerową i anteną. Dzięki temu możemy zbierać, magazynować oraz przesyłać dane zarówno na Ziemię, jak i do teleskopu. Komputer kontroluje też ustawienie urządzenia w przestrzeni, zbiera dane z żyroskopu i szukaczy gwiazd, a ponadto przesyła komendy do kół reakcyjnych i pędników. Głównym wyzwaniem była jednak praca w niskiej temperaturze. Skoro teleskop Webba może funkcjonować tylko w niej, niezbyt się nadaje na bliską orbitę Ziemi. Trzeba było go umieścić daleko od wszelkich zakłóceń. Taki punkt znaleziono dopiero 1,5 mln kilometrów stąd, czyli znacznie dalej niż Księżyc, od którego dzieli nas 400 tys. kilometrów. To sprawia, że absolutnie nie ma mowy o żadnej misji naprawczej. Jeżeli teleskop Webba się zepsuje, to już na dobre. Teleskop Hubble’a był serwisowany kilkakrotnie, gdyż znajduje się na bliskiej orbicie Ziemi. Natomiast w przypadku Kosmicznego Teleskopu ­Jamesa Webba poważna awaria oznacza koniec misji. Dlatego też testy, jakim poddawano sprzęt, były po prostu bardzo wymagające i czasochłonne.

Wiemy już, skąd takie umiejscowienie teleskopu Webba i czym to grozi. A jakie są korzyści tej sytuacji?

Punkt, w którym teleskop pracuje, to jeden z pięciu niezwykłych punktów libracyjnych, jakie istnieją w układzie trzech ciał. Od nazwiska odkrywcy zwane są punktami Lagrange’a. W tym przypadku mówimy o układzie Słońce – Ziemia – teleskop Jamesa Webba. Jest to miejsce, w którym przyciąganie Słońca, przyciąganie naszej planety oraz siła odśrodkowa się równoważą. Punkt ten podąża wraz z Ziemią wokół Słońca, dlatego wszelki sprzęt tam umieszczony pozostaje mniej więcej w stałym położeniu względem naszej planety. Dzięki temu mamy ciągły kontakt z tym satelitą. Znajduje się on po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce i jest do niego zwrócony cały czas osłoną, co zmniejsza ryzyko, że się np. obróci i wystawi odkrytą stroną na promieniowanie, które mogłoby go zniszczyć. Stała pozycja względem Ziemi pozwala zachować łączność. W punkcie Lagrange’a 2 ulokowanych jest więcej tele­skopów, ale to spory obszar, gdzie mogą funkcjonować bez wzajemnych zakłóceń.

Już dzięki teleskopowi Hubble’a wiemy, że kosmos jest znacznie większy, niż kiedyś przypuszczano. Co mają pokazać zdjęcia z teleskopu Webba?

Teleskop Hubble’a faktycznie zrewolucjonizował nasz obraz wszechświata, dostarczał zdjęć w jakości wyższej niż jakikolwiek wcześniejszy sprzęt. Myślę, że jednym z jego największych odkryć były tzw. głębokie pola Hubble’a: obrazy malutkich fragmentów nieba wykonywane przez wiele tygodni. Teleskop skierowany był w jeden punkt nieba przez długi czas, dzięki czemu mógł zarejestrować bardzo słabe sygnały. Okazało się, że na takim zdjęciu obejmującym niewielki wycinek nieba znajdują się miliony galaktyk. Ich liczba jest wręcz niewyobrażalna. Można założyć, że podobny obraz zostałby zarejestrowany w dowolnym innym kierunku, a to oznacza, że wszechświat jest po prostu wypełniony tymi galaktykami. ­Teleskop Jamesa Web­ba potrafi jeszcze więcej. Cecha promieniowania podczerwonego to przenikliwość. Promieniowanie widzialne i ultrafioletowe, które rejestruje teleskop Hubble’a, jest zatrzymywane przez pył międzygwiezdny, wszelkie obłoki blokują je i nie możemy zobaczyć, co znajduje się dalej. Promieniowanie podczerwone przenika przez takie obszary, dzięki czemu udaje nam się dostrzec znacznie odleglejsze obiekty. To się dzieje na naszych oczach. Teleskop Jamesa Webba rejestruje galaktyki położone niewyobrażalnie daleko – niemal 13,5 mld lat świetlnych od Ziemi. To, co jeszcze potrafi zrobić, a czego nie mógł dokonać jego poprzednik, to obserwacja obszarów gwiazdotwórczych, czyli miejsc, w których powstają nowe gwiazdy. Obszary te znajdują się właśnie w pyle, w obłokach gazu. Teleskop Hubble’a mógł zobaczyć jedynie ich zewnętrzne warstwy, Webba natomiast w nie zagląda. Widać zdecydowanie więcej.

Jakie to ma skutki dla współczesnej nauki? Co teleskop Webba, poza efektem „wow”, czyli dostarczaniem pięknych obrazów, zmienia we współczes­nej astronomii?

Dla laika teleskop Webba niekoniecznie oznacza rewolucję, ale o nią nie tak łat­wo przy dzisiejszym poziomie rozwoju nauki. Dzięki temu, że możemy patrzeć przez pył, obserwujemy bezpośrednio procesy formowania się gwiazd. Wcześ­niej nie było to możliwe. Teleskop Web­ba ma szansę poszerzyć naszą wiedzę o planetach pozasłonecznych, ponieważ jest w stanie analizować skład chemiczny ich atmosfer, i już dość intensywnie nad tym pracuje. Zbadał kilka planet poza Układem Słonecznym; wykrył obecność wody, dwutlenku węgla i związków siarki. Teleskop Hubble’a też coś takiego potrafił, ale na znacznie mniejszą skalę.

Planety pozasłoneczne budzą podobno najżywsze reakcje podczas popularnonaukowych wykładów o teleskopie Webba. Miał Pan taką prezentację na Dolnośląskim Festiwalu Nauki.

Faktycznie najwięcej pytań dotyczyło tego, czy teleskop jest w stanie fotografować takie planety. Niestety raczej nie, bo to są zbyt małe obiekty. Istnieje jednak kilka wyjątków; podczas wykładu pokazywałem rzadki przykład bezpośredniej fotografii planety pozasłonecznej. Słuchacze byli również zainteresowani najodleglejszymi obiektami, jakie udało się dostrzec, w tym gromadą galaktyk, która zachowuje się jak soczewka grawitacyjna. Bo grawitacja może działać jak szkło powiększające. Jeżeli zgromadzimy w jednym miejscu bardzo dużą masę, to ona zniekształci przestrzeń wokół siebie tak, że zacznie działać właśnie jak lupa. Wszystkie odległe galaktyki znajdujące się te 13 mld lat świetlnych od Ziemi zarejestrowano wyłącznie w taki sposób.

Pewien obraz nadesłany przez teleskop Webba, który zrobił furorę w mediach, przedstawiał narodziny gwiazd i młodych galaktyk. Czy to dowód na to, że wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu dynamicznie się rozwijał?

Tak. Teleskop Webba był w stanie wykryć galaktyki położone niezwykle daleko, czyli powstałe tuż po Wielkim Wybuchu, co nie zgadza się z dotychczasowym stanem wiedzy: nie sądziliśmy, że działo się to tak szybko. To już rewolucyjne odkrycie, bo dzięki teleskopowi Webba możemy po prostu je obserwować.

Czy teraz nastąpi to, co widziałem w filmie Oppenheimer? Po przeprowadzonym doświadczeniu do akcji wkroczą teoretycy, którzy muszą wszystko obliczyć, żeby modele zaczęły się zgadzać z tym, co zaobserwowali?

To już się dzieje, ale wymaga czasu. Nie jest tak, że po jednym zdjęciu nagle przyjdzie nowa teoria, nowa praca – to wszystko musi potrwać. Jednak skoro coś, co obserwujemy, nie jest zgodne z obecnymi modelami, trzeba te modele zredefiniować; ustalić, co się nie zgadza.

Otrzymaliśmy także zdjęcie umierającej gwiazdy.

Teleskop zarejestrował pozostałość po gwieździe, która wcześniej – w zdjęciach z teleskopu Hubble’a – była niewidoczna, bo zwyczajnie schowana za pyłem. Można ją było dostrzec dopiero w podczerwieni. Teleskop Webba wykrył też sporo różnych pierwiastków i molekuł w świetle emitowanym przez tę mgławicę, co również było czymś nowym.

Odkryto nawet dwutlenek węgla na Europie, jednym z księżyców Jowisza.

Stanowi to kolejny pośredni dowód na istnienie oceanu pod grubą powierzchnią lodu na tym księżycu. To ważne odkrycie, bo dotychczas nie mieliśmy potwierdzenia, że dwutlenek węgla tam jest.

Gdzie jeszcze zostanie wycelowany teleskop Jamesa Webba?

Mamy trzy obiekty, które już zostały sfotografowane przez teleskop: JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 i JADES-GS-z11-0. Wcześniej uważano je za bardzo odległe galaktyki – jedne z pierwszych, jakie powstały we wszechświecie. Ostatnio pojawiła się teoria, że to mogą być nie galaktyki, lecz gwiazdy zbudowane z ciemnej materii. Jej potwierdzenie oznaczałoby niemałą rewolucję. Na razie mamy tylko hipotezę. Niemniej własności tych obiektów pasują do modelu gwiazd zbudowanych z ciemnej materii. Teleskop Jamesa Webba będzie je jeszcze obserwował, bo warto to wyjaśnić.

Jak długo teleskop może działać?

Zakładano 10 lat obserwacji, z możliwością przedłużenia do 20. Po tym czasie skończy się chłodziwo, więc urządzenie po prostu przestanie rejestrować promieniowanie podczerwone. To najdłuższa perspektywa, bo już pojawiają się problemy. W 2022 r. teleskop Webba oberwał mikrometeorytem, co dosyć poważnie uszkodziło jeden segment lustra. Udało się zminimalizować konsekwencje tego wypadku, ale jeśli uderzą następne mikrometeoryty, urządzenie może zakończyć swoją działalność wcześniej. Aby ograniczyć to ryzyko, teleskop wykonuje znacznie mniej zdjęć obszarów, przy których tarcza luster musiałaby być ustawiona na wprost strefy, z której nadlatują meteoryty.

Czy teleskop zdąży znaleźć planetę, na której mogliby osiedlić się ludzie?

Owszem, istnieje taka szansa, jednak ta podróż raczej nie nastąpi wcześniej niż za kilka tysięcy lat. Najbliższy taki obiekt będzie znajdował się dziesiątki lat świetlnych od Ziemi. Znaleźliśmy już kilka planet skalistych, kilka z nich jest w ekosferach, czyli w takiej odległości od gwiazdy, która pozwala na istnienie wody w stanie ciekłym. Parę podobnych planet już znamy, a jest szansa, że znajdziemy więcej, nawet takich, które krążą wokół gwiazdy przypominającej Słońce. Niestety te już znalezione poruszają się wokół gwiazd mniej jasnych i mniej masywnych od centrum naszego układu planetarnego. O ile woda może tam występować w stanie ciek­łym, wszystko jest skąpane w zabójczym dla nas promieniowaniu gamma. To kiepskie środowisko do życia.

Czy dużo wcześniej możemy liczyć na takie odkrycia, które będą istotne dla naukowców, ale też takie, które będą miały znaczenie dla laików?

Odkrycia naukowe od zawsze wpływały na życie ludzi, choć niekoniecznie w sposób bezpośredni. Zapewne do powszechnego użytku wejdą technologie opracowane na potrzeby budowy teleskopu, np. systemy chłodzenia czy nowe materiały. Myślę, że dla zwykłego człowieka najciekawsze są dostarczane przez teleskop wspaniałe zdjęcia. Mogą one stać się inspiracją dla ludzi, wzbudzić zainteresowanie kosmosem. Dla naukowców istotne są zjawiska fizyczne, które w nich widzimy. A widzimy wiele, bo podczerwone oko teleskopu Jamesa Webba sięga daleko. Obserwuje obiekty bardzo stare, powstałe w krótkim czasie po Wielkim Wybuchu; bada budowę i ewolucję galaktyk, analizuje atmosfery planet pozasłonecznych.