James Webb, το χρυσό μάτι μας στο Σύμπαν!

Βασικός στόχος των αστρονόμων είναι να παρατηρούν με τα τηλεσκόπιά τους όσο το δυνατόν πιο μακρινά και αμυδρά αντικείμενα με όσο το δυνατόν καλύτερη ευκρίνεια. Για τον πρώτο στόχο απαιτούνται μεγάλα κάτοπτρα ώστε να συλλέγουν όσο γίνεται περισσότερο φως από τα αμυδρά ουράνια σώματα. Για τον δεύτερο στόχο απαιτείται απουσία παραμορφώσεων των ειδώλων, η οποία οφείλεται κυρίως στις διαταραχές της ατμόσφαιρας. Για να επιτευχθεί ο δεύτερος από τους στόχους οι αστρονόμοι προσπαθούν να τοποθετούν τα τηλεσκόπιά τους σε ψηλά βουνά, για να υπάρχει πάνω από αυτά όσο το δυνατόν λεπτότερο στρώμα ατμόσφαιρας. Η ιδανική, φυσικά, τοποθεσία είναι έξω από την ατμόσφαιρα, όπου ακριβώς είχε τοποθετηθεί το πρώτο μεγάλο διαστημικό τηλεσκόπιο, το Hubble. Εν όψει της «αποστράτευσης» του Hubble, μετά από 25 χρόνια λειτουργίας, είναι ήδη έτοιμος ο διάδοχός του, το τηλεσκόπιο James Webb, με συλλεκτική επιφάνεια φωτός πέντε φορές μεγαλύτερη. Η κατασκευή του τηλεσκοπίου αυτού ολοκληρώθηκε στα μέσα Οκτωβρίου του 2016 και είναι πια έτοιμο για τις τελικές δοκιμασίες ποιότητας και λειτουργικότητας. Αν όλα πάνε καλά, θα εκτοξευθεί σε τροχιά τον Οκτώβριο του 2018 και αναμένεται να ανακαλύψει ουράνια αντικείμενα και αστροφυσικά φαινόμενα πολύ πιο ενδιαφέροντα από αυτά που ανακάλυψε το τηλεσκόπιο Hubble.

Το James Webb στο εργαστήριο. Το 2018 θα ξεκινήσει την καριέρα του ως τεχνητού πλανήτης του Ηλίου

Το νέο τηλεσκόπιο πήρε το όνομά του από τον δεύτερο, χρονολογικά, διοικητή της NASA, ο οποίος έπαιξε πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του προγράμματος Απόλλων, που είχε για στόχο την αποστολή αστροναυτών στη Σελήνη. Υποστηρίζεται από ένα κονσόρτσιουμ 17 διαστημικών οργανισμών, με επικεφαλής τη NASA. Από τους υπόλοιπους 16 οργανισμούς σημαντικότερο ρόλο παίζουν ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) και ο αντίστοιχος φορέας του Καναδά. Ο πύραυλος εκτόξευσης θα είναι το καμάρι του ESA, ο Arianne 5. Το βασικότερο στοιχείο του τηλεσκοπίου είναι ο επαναστατικός σχεδιασμός του κατόπτρου, το οποίο θα πρέπει να έχει μικρή μάζα και μικρές διαστάσεις ώστε να «χωράει» στον χώρο φόρτωσης αυτού του πυραύλου. Για τον λόγο αυτόν το κάτοπτρο αποτελείται από 18 εξαγωνικά επίχρυσα στοιχεία, κατασκευασμένα από το ελαφρό στοιχείο βηρύλλιο, τα οποία θα συναρμολογηθούν αυτόματα όταν το τηλεσκόπιο τοποθετηθεί στην τελική τροχιά του.

Το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο έχει αρκετές διαφορές από τον «πρόγονό» του, πέρα βέβαια από τη μεγαλύτερη διάμετρο του κατόπτρου του. Η πιο σημαντική ίσως είναι ότι θα τεθεί σε τροχιά τεχνητού πλανήτη γύρω από τον Ηλιο, ενώ το Hubble ακολουθεί τροχιά τεχνητού δορυφόρου γύρω από τη Γη. Ο κυριότερος λόγος για αυτή την επιλογή είναι ο διπλασιασμός, χονδρικά, του χρόνου που το τηλεσκόπιο είναι διαθέσιμο για παρατηρήσεις. Λόγω των εξαιρετικά ευαίσθητων συστημάτων καταγραφής του φωτός που συλλαμβάνει το κάτοπτρο ενός διαστημικού τηλεσκοπίου, οι παρατηρήσεις με αυτό είναι δυνατές μόνο όταν δεν φωτίζεται από τον Ηλιο. Το Hubble βρίσκεται μόνο κατά το 50% της τροχιάς του στη σκιά της Γης, πάνω από τους τόπους που έχουν εκείνη τη στιγμή νύχτα. Αν σε αυτό προσθέσει κανείς και το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να ισορροπήσει η θερμοκρασία του, μετά την είσοδό του στη σκιά της Γης, διαπιστώνει ότι το ωφέλιμο για παρατηρήσεις χρονικό διάστημα είναι πολύ μικρό.

Το τηλεσκόπιο James Webb θα τεθεί σε μια τέτοια τροχιά γύρω από τον Ηλιο ώστε να βρίσκεται μόνιμα στην προέκταση της ευθείας που ενώνει τον Ηλιο με τη Γη και σε απόσταση 1.500.000 χιλιομέτρων από τον πλανήτη μας, με το τηλεσκόπιο στραμμένο προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτήν της Γης και του Ηλίου. Ετσι θα μπορεί να κάνει παρατηρήσεις απρόσκοπτα, οποιαδήποτε στιγμή. Υπάρχει βέβαια και ένα σημαντικό μειονέκτημα στην επιλογή της τροχιάς του νέου τηλεσκοπίου. Αν κάτι δεν πάει καλά δεν θα είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε επισκευή ή αναβάθμισή του, λόγω ακριβώς αυτής της μεγάλης απόστασης. Αντίθετα η επίσκεψη στο Hubble, που βρίσκεται σε τροχιά μόλις 500 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, είναι πολύ εύκολη για τους αστροναύτες του διαστημικού λεωφορείου, και η δυνατότητα αυτή μας βοήθησε να διορθώσουμε, αρχικά, ένα κατασκευαστικό σφάλμα του κατόπτρου του και, στη συνέχεια, να αναβαθμίσουμε τα καταγραφικά όργανά του.

Μια άλλη σημαντική διαφορά των δύο τηλεσκοπίων είναι οι περιοχές της ακτινοβολίας στις οποίες λειτουργούν. Το Hubble μπορεί να εκτελεί παρατηρήσεις στα οπτικά και στα υπεριώδη μήκη κύματος αλλά όχι στο υπέρυθρο, επειδή το κάτοπτρό του θερμαίνεται για να διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία κατά μήκος της τροχιάς του. Αλλά ένα θερμό αντικείμενο εκπέμπει σημαντικά ποσά υπέρυθρης ακτινοβολίας, οπότε δεν είναι δυνατόν να διαχωρίσει κανείς την υπέρυθρη ακτινοβολία των ουράνιων αντικειμένων που συλλαμβάνει το κάτοπτρο από αυτήν που εκπέμπει το ίδιο. Αντίθετα, το τηλεσκόπιο James Webb είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε το κάτοπτρό του να έχει πολύ χαμηλή θερμοκρασία, όχι μεγαλύτερη από 220 βαθμούς Κελσίου υπό το μηδέν, πράγμα που επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση μιας «τέντας» από πέντε επάλληλες οθόνες διαστάσεων 21×14 μέτρων, η οποία θα ενεργεί ως ασπίδα θερμότητας, εμποδίζοντας την ακτινοβολία του Ηλίου, της Γης και της Σελήνης να φθάσουν στο τηλεσκόπιο. Επειδή αυτό το εξάρτημα είναι μεγαλύτερο από τον χώρο φόρτωσης του πυραύλου, θα εκτοξευθεί διπλωμένο και θα ξεδιπλωθεί όταν το τηλεσκόπιο φθάσει στον προορισμό του.

Το τηλεσκόπιο James Webb είναι βελτιστοποιημένο για παρατηρήσεις στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος για τρεις κυρίως λόγους. Ο πρώτος είναι ότι, λόγω του φαινομένου Doppler που οφείλεται στη διαστολή του Σύμπαντος, το φως από τα μακρινά ουράνια σώματα, που είναι ένας από τους βασικούς στόχους του, έχει μετατεθεί στο υπέρυθρο. Ο δεύτερος είναι ότι οι δίσκοι σκόνης και αερίου γύρω από νεαρούς αστέρες, από τους οποίους δημιουργούνται τα εξωηλιακά πλανητικά συστήματα, εκπέμπουν κυρίως στο υπέρυθρο. Ο τρίτος είναι ότι αυτή ακριβώς η ζώνη του φάσματος δεν προσφέρεται για παρατηρήσεις από τη Γη, λόγω της σημαντικής απορρόφησης της υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα αέρια του θερμοκηπίου (νερό, όζον, διοξείδιο του άνθρακα). Αν οι παρατηρήσεις επιβεβαιώσουν τους υπολογισμούς των αστρονόμων, τότε το τηλεσκόπιο James Webb θα πάρει φωτογραφίες των πρώτων γαλαξιών, που δημιουργήθηκαν πριν από 13,6 εκατομμύρια χρόνια, καθώς και τις πρώτες φωτογραφίες πλανητών σε εξωηλιακά πλανητικά συστήματα.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης διετέλεσε καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.