Zdroj: NASA, STScI, ESA, CSA

Webbův teleskop je technický div světa. Z hlubin vesmíru jím nahlížíme do minulosti

  • Webbův teleskop vznikal tři desítky let a stál skoro 10 miliard dolarů
  • Na tomto mezinárodním projektu se podílí NASA, ESA i CSA a stovky soukromých společností i vědeckých institucí
  • Jeho mise bude trvat zřejmě přes 10 let a měl by nám pomoci nahlédnout do historie vesmíru

Vesmírný dalekohled Jamese Webba, někdy označovaný také jako Webbův teleskop či anglickou zkratkou JWST, je jedním z nejpokročilejších přístrojů, které kdy lidstvo vyslalo do vesmíru. Ačkoliv by se to tak možná nemuselo na první pohled zdát (vždyť jde jen o teleskop), vytvořit zařízení schopné operovat s mikroskopickou přesností asi 1,6 milionu kilometrů daleko od Země byla opravdu výzva.

Před nedávnem zveřejněné první snímky tak nejsou jen fascinující podívanou, ale také jakýmsi hmatatelným potvrzením toho, že desítky let trvající vývoj, cena masivně přesahující původní odhady, spolupráce tří vesmírných agentur a práce 258 společností, akademických institucí i tisíců lidí z 15 zemí světa mělo svůj význam.
V dnešním článku se podíváme na historii vzniku Webbova teleskopu, jeho hlavní prvky, výzvy, které jeho vytvoření a zprovoznění přineslo, a pochopitelně i vědecké cíle, které bude jeho mise sledovat.

Hubblův nástupce?

Webbův teleskop bývá mnohdy označován jako nástupce Hubblova teleskopu. To je do značné míry pravda, nicméně byla by chyba si to představovat tak, že Hubblův teleskop dosloužil, tak jsme vyslali novou generaci. Plány na Webbův teleskop totiž začaly vznikat ještě před tím, než se jeho předchůdce vůbec vydal do vesmíru. První diskuze se objevily už v 80. letech, ale serióznější plánování začalo až počátkem dalšího desetiletí.

Jedním z prvních velkých impulsů k vážným úvahám o následníkovi byly problémy s optikou Hubblova teleskopu. U něj kvůli výrobní vadě na hlavním zrcadle došlo k poměrně katastrofickému dopadu na kvalitu snímků a nebylo zpočátku jasné, jestli se vadu podaří napravit. Někteří dokonce navrhovali projekt zcela opustit. V roce 1993 ale NASA vyslala raketoplán na misi STS-61, která úspěšně provedla opravy.

hubbluv teleskop srs61 oprava
Astronaut Story Musgrave opravuje Hubblův teleskop během mise SRS-61

Bezprostřední náhrada tak již nebyla třeba, ale úspěchy zprovozněného Hubblova teleskopu posílily poptávku po ještě lepším teleskopu, který by byl schopen nabídnout ještě zajímavější pohledy do hlubin vesmíru. Následovalo několik let různých návrhů, jejich vybírání a rušení, až nakonec v roce 2002 získal projekt současný název a hlavní charakteristiky. O rok později byla společnosti TRW, krátce na to pohlcené korporací Northrop Grumman, zadána zakázka na konstrukci teleskopu. Cena měla být 825 milionů dolarů a se startem se počítalo v roce 2010.

Drahý a opožděný

Již v roce 2004 však začalo být jasné, že náklady budou o dost vyšší. V roce 2005 pak bylo provedeno přehodnocení programu, které přineslo jednak první odklad o necelé dva roky, ale také nárůst odhadované ceny na 4,5 miliardy dolarů. Tu měli částečně nést i mezinárodní partneři – kanadská vesmírná agentura CSA a evropská vesmírná agentura ESA. Zapojení bylo v té době předpokládáno v hodnotě 300 milionů eur ze strany ESA a 39 milionů kanadských dolarů ze strany CSA, což bylo později násobně překročeno. V roce 2007 NASA podepsala dohodu o spolupráci s ESA, přičemž bylo rozhodnuto, že evropské zapojení do projektu bude spočívat především v poskytnutí rakety a související agendy i personálu.

James Webb Space Telescope Mirror
Kryogenický test několika segmentů hlavního zrcadla

Samotné konstruování teleskopu už v následujících letech probíhalo v zásadě bez problémů. Rostly však náklady a postupně docházelo k dalším a dalším posunům plánovaného startu. Důvodem je mimo jiné i to, že veškeré součásti byly velmi důkladně testovány. Tentokrát totiž nebylo možné riskovat nějakou závadu, neboť na rozdíl od Hubblova teleskopu v tomto případě po vypuštění už žádné opravy provádět možné není, neboť se teleskop nachází mimo dosah současných i v době životnosti plánovaných pilotovaných letů. Pro srovnání, zatímco Hubblův teleskop obíhá ve výšce 550 km nad povrchem Země, Webbův více než 1,5 milionu kilometrů od oběžné dráhy Země.

Milníkem byl listopad 2016, kdy byla dokončena kompletace zrcadla, čímž byla ukončena hlavní konstrukční fáze. Následně začalo období důkladných testů, které se poněkud zkomplikovalo v roce 2018, když došlo během jednoho z testů k poškození tepelného štítu. To si vyžádalo další odklad plánovaného startu o dva roky.

Mnohokrát odložený, ale úspěšný start

Po dalších zpožděních způsobených covidovou pandemií konečně Webbův teleskop 12. října 2021 dorazil na lodi do Francouzské Guyany. Zde byl umístěn na nosnou raketu Ariane 5, která přesně dle plánu 25. prosince 2021 ve 12:20 UTC odstartovala z Guyanského kosmického centra na svou historickou misi. Stalo se tak 12 let po prvotním plánovaném termínu startu a s cenovkou kolem 10 miliard dolarů. Start nicméně proběhl bez problémů, stejně tak jako prvotní separace. Šéf NASA Bill Nelson tuto událost označil za „velký den pro planetu Zemi“.

webbuv teleskop lod
Loď, na jejíž palubě teleskop dorazil do Francouzské Guyany

Tehdy však ještě zdaleka nebylo vyhráno. Jak pro web NPR uvedl Bill Ochs, který projekt od roku 2011 vedl, první dva a půl týdne byly pro konstruktéry a další personál vysoce stresující. Před startem totiž bylo identifikováno 344 úkonů, které nemají žádnou alternativu a jejich selhání by mohlo ohrozit funkčnost celku. Většina z těchto kritických okamžiků se přitom soustředí právě do okna necelých tří týdnů po startu.

Ariane 5 with James Webb Space Telescope
Raketa Ariane 5 se vzácným nákladem čeká na rampě

Nic se však naštěstí nestalo a všechny potřebné úkony byly provedeny. Teleskop tak 24. ledna 2022 dorazil do tzv. Lagrangeova bodu L2, který v nebeské mechanice označuje bod v soustavě dvou těles rotujících kolem společného těžiště. V něm se vyrovnávají gravitační a odstředivé síly soustavy tak, že malé těleso umístěné do tohoto bodu nemění vůči soustavě svou polohu.

JWST as seen from the ESC D Cryotechnic upper stage
Webbův teleskop krátce po vypuštění z rakety

V polovině července po dokončení velmi komplexní sekvence seřizování zrcadel byla veřejnost seznámena s prvními snímky z teleskopu. Ten tak zahájil svou misi, jejíž výsledky i trvání jsou zatím zahaleny tajemstvím.

Cíle Webbova teleskopu

Na otázku, k čemu je Webbův teleskop, lze odpovědět až překvapivě snadno. Cíle jeho mise jsou totiž jasně stanoveny a jsou „pouze“ čtyři. Jde o vyhledávání světla prvních hvězd a galaxií vzniklých po velkém třesku, výzkum formování a vývoje galaxií, snahu pochopit proces vzniku hvězd i planet a studium planetárních systémů i původu života.

Tyto ambiciózní cíle zároveň odpovídají na otázku, v čem Webbův teleskop předčí ten Hubblův. Pokud chceme pozorovat vznik galaxií, chceme se vlastně dívat na velmi staré světlo, které k nám putovalo rozpínajícím se vesmírem miliardy let. Tato pouť přitom způsobila jev, který nazýváme jako kosmologický rudý posuv. Zjednodušeně řečeno jde o to, že se vlnové délky původně viditelného a ultrafialového světla během svého šíření asi 20× prodlouží, čímž se dostanou do infračerveného spektra.

Redshift rudy posun
Diagram zobrazující rudý posuv

Infračervené záření je nicméně emitováno prakticky vším kolem nás včetně našich těl či povrchu země – někdy se tomu ne úplně přesně říká tepelné záření. Zemská atmosféra je tak v infračerveném spektru z podstatné části neprůhledná. Navíc obsahuje sloučeniny, které by komplikovaly spektrální analýzu. Teleskop tak nutno umístit do vesmíru.

hubbluv webbuv teleskop srovnani
Porovnání stejného záběru z Hubblova teleskopu (vlevo) a Webbova teleskopu (vpravo). Jde o první snímek pořízení Vesmírným dalekohledem Jamese Webba v rámci jeho prvotní konfigurace.

Protože však i ve vesmíru by záření Slunce, potažmo Země a Měsíce, ohřívalo teleskop a bránilo tak jeho funkci, musel být umístěn do již zmiňovaného Lagrangeova bodu L2. V něm se všechna tři tělesa nacházejí „jedním směrem“, což umožňuje jejich záření odstínit speciální clonou, kterou Webbův teleskop disponuje.

Za stavu odstínění pak Webbův teleskop dokáže v infračerveném spektru pozorovat velmi slabě zářící objekty. NASA uvádí, že by měl být schopen detekovat až 100× slaběji zářící jevy než Hubblův teleskop. To znamená, že uvidí deset miliardkrát slabší objekty, než jsou nejslabší pouhým okem viditelné hvězdy.

Jak dlouho bude mise trvat?

Pro plnění cílů bylo původně vyčleněno minimálně pět let – což je spodní hranice úspěšné mise. Očekával se však provoz spíš kolem deseti let. Nynější odhady jsou však ještě optimističtější – dle NASA by mělo být možné provoz prodloužit výrazně za hranici 10 let. Důvodem je, že jak prvotní umístění na trajektorii raketou Ariane 5, tak následné úpravy trajektorie byly přesnější, než bylo očekáváno. Teleskopu tak zbylo neočekávaně více paliva na pravidelné úpravy trajektorie, což ho logicky umožní udržet „na svém místě“ déle. Životnost ale samozřejmě ovlivňují i jiné aspekty, takže by bylo předčasné v současnosti spekulovat, jak dlouho setrvá v provozu.

jwst bod l2
Schematické znázornění umístění Webbova teleskopu ve vesmíru

Životnost může pozitivně ovlivnit i celkový rozvoj vesmírných technologií. Jak totiž bylo řečeno, nepředpokládá se, že by k teleskopu kdy zamířila servisní mise, protože současné technologie to neumožňují. Pokud by se však objevily, existují přece jen určité základní konstrukční přípravy, které by mohly případné servisní mise umožnit. Jde například o možnost doplňovat palivo, fixační body či značky pro navádění při přiblížení.

Konstrukce teleskopu

Vesmírný teleskop je pochopitelně velmi složité zařízení, avšak pro naše účely si ho lze rozdělit na čtyři hlavní části. Jde o základní nosnou konstrukci obsahující většinu elektroniky a pohonu, dále o integrovaný modul vědeckých přístrojů (ISIM), sluneční clonu a samotnou optiku, jejíž základní součást tvoří hlavní zrcadlo.

Základní nosná konstrukce

Základní nosná konstrukce o hmotnosti 350 kg se nachází na „teplé“ straně Webbova teleskopu, tedy straně natočené k Slunci a nechráněné clonou. To znamená, že elektronické přístroje, mezi které lze počítat jak výpočetní a paměťovou, tak komunikační techniku, pracují při teplotě kolem 27 °C (300 K). K této části lze řadit i pohon. Ten se skládá ze dvou redundantních párů raketových motorů a osmi trysek pro drobnější korekce polohy.

James Webb Space Telescope konstrukce
Složená „kostra“ Webbova teleskopu

Integrovaný modul vědeckých přístrojů (ISIM)

Integrovaný modul vědeckých přístrojů obsahuje jednak čtveřici specializovaných modulů a naváděcí kameru, ale také podpůrné systémy pro vědecké přístroje jednotlivých modulů. Jde zejména o napájení, chlazení a část výpočetních kapacit. ISIM je také dobrou ukázkou mezinárodní spolupráce na vývoji a výrobě teleskopu. Prakticky každý modul má totiž jiného autora.

iscim webbuv teleskop
Práce na ISIM

NIRCam (Near InfraRed Camera): Infračervená kamera vybavená 10 snímači s rozlišením 4 Mpx. Snímá ve spektru od kraje viditelného světla (0,6 μm) po blízké infračervené záření (5 μm). Jde o americký produkt vzniklý ve spolupráci Arizonské univerzity a společnosti Lockheed Martin.

NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph): Spektroskop pracující ve stejném rozsahu vlnových délek jako NIRCam. Vybaven je dvěma snímači o rozlišení 4 Mpx. Zkonstruován byl v Nizozemsku pod taktovkou ESA, nicméně na vývoji se podílela i NASA a lidé z Airbus Defence and Space. Optické prvky navrhla a vyrobila německá společnost Carl Zeiss Optronics.

MIRI (Mid-InfraRed Instrument): Kombinace kamery a zobrazovacího spektrometru pro práci v infračerveném spektru rozsahu 5 až 27 μm. Zajímavostí je, že musí fungovat za ještě nižších teplot než ostatní části „studené“ strany, takže je napojen na vlastní chladič umístěný na „teplé“ straně. Na vývoji spolupracovala NASA s řadou evropských vědeckých institucí, optickou část zajistil opět Carl Zeiss.

FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph): V podstatě jde o dva úplně samostatné přístroje, byť fyzicky jsou součástí jediného modulu. FGS ale slouží ke stabilizaci zorného pole a kontrolním měřením, tedy mají podpůrný charakter, zatímco NIRISS je plnohodnotný vědecký přístroj. Jde o infračervený zobrazovač a spektroskop schopný pracovat ve vlnových délkách rozsahu 0,8 až 5 μm. Za modulem stojí CSA ve spolupráci s Université de Montréal.

Sluneční clona

Největší pozornost sice asi zaslouženě budí pozlacené zrcadlo, avšak sluneční clona je neméně důležitou a fascinující součástí Webbova teleskopu. Jak již bylo řečeno, optická část musí být uchráněna nežádoucích zdrojů infračerveného záření. Je tak udržována při teplotě pod -223 °C (50 K), což zajišťuje právě odstínění speciální sluneční clonou či chcete-li štítem. Jeho rozměry činí 14,162 × 21,197 m, zatímco nákladový prostor rakety Ariane 5 disponuje průměrem 4,57 m a délkou 16,19 m. Sluneční štít navíc pochopitelně představuje jen jednu ze součástí, takže musel být pro umístění do nákladového prostoru rakety dvanáctinásobně přeložen. Vzhledem k tomu, že folie potažená hliníkem, z níž je štít vyroben, má tenkost přibližně lidského vlasu, není tento úkon rozhodně nic jednoduchého. Jak už ostatně bylo řečeno výše, při jednom z testů došlo k jejímu poškození.

James Webb telescope sunshield
Rozložená testovací verze sluneční clony během procedur ve výrobním závodu Northrop Grumman v roce 2014

Clona se skládá z celkem pěti vrstev této folie. Důvodem je snaha minimalizovat přenos tepla – mezery mezi jednotlivými membránami fungují jako izolace. První dvě nejteplejší vrstvy na sobě navíc mají ještě křemíkový potah usnadňující vyzařování tepla do vesmíru.

Pokud se ptáte, proč konstruktéři zvolili takto křehkou a na poškození náchylnou konstrukci, vězte, že důvodem je nutnost maximálně snížit hmotnost tak, aby nepřesáhla možnosti rakety. Ze stejného důvodu nebylo pro zrcadlo použito sklo a nosné konstrukce jsou vyrobeny z lehkých kompozitních materiálů. Výsledkem je, že celek váží asi jen 2 % hmotnosti „srovnatelného“ pozemského teleskopu. V absolutních číslech jde o něco málo přes 6 tun, zatímco Hubblův teleskop váží 11 tun.

Hlavní zrcadlo

Zřejmě nejvíce obdivovanou součástí Webbova teleskopu je jeho zrcadlo. Průměr 6,5 m zajišťuje sběrnou plochu 25,4 m2 (po odečtení plochy zakryté vzpěrami), což je více než šestinásobek sběrné plochy Hubblova 2,4metrového zrcadla, která dosahuje jen 4 m2. Přesto hmotnost zrcadla činí jen 625 kg, zatímco menší zrcadlo na Hubblově teleskopu váží kolem tuny.

JWST HST primary mirrors
Porovnání velikosti hlavních zrcadel obou teleskopů

Docílit takto výrazného zlepšení poměru mezi sběrnou plochou a hmotností bylo možné jen díky technologickému pokroku. Ten totiž přinesl možnost opustit tradiční konstrukci zrcadla z jednoho kusu skla (resp. dvou vrstev skla oddělených plástvovitou strukturou) ve prospěch 18 šestiúhelníkových segmentů. Modulární design zrcadla je navíc stejně nutný kvůli požadavku na zvýšení plochy, protože tradiční zrcadlo těchto rozměrů by se do rakety prostě nevešlo.

Jednotlivé šestiúhelníky jsou vyrobeny z beryllia – velmi tuhého a přitom lehkého kovu, který má navíc dobré vlastnosti při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Aby bylo dosaženo maximální odrazivosti, jsou kovové pláty potaženy tenkou vrstvou zlata, které velmi dobře odráží právě infračervené záření. NASA uvádí, že na celé zrcadlo bylo použito 48,25 g zlata, což přibližně odpovídá hmotnosti golfového míčku. Pro lepší odolnost pak ještě tuto zlatou vrstvu chrání tenounká vrstva skla.

webbuv teleskop zrcadlo selfie
Selfie fotografů NASA v jednom ze segmentů hlavního zrcadla

Zde se hodí říct, že beryllium je sice velmi tuhý, ale také křehký materiál. Teoreticky tak hrozí poškození zrcadla mikrometeority. Zrcadlo bylo samozřejmě na tyto dopady testováno a mělo by je ustát, přesto však už stihlo dojít k drobnému poškození. Mikrometeoritů narazilo do zrcadla Webbova teleskopu už před zprovozněním několik, avšak jeden z nich měl neočekávaně vysokou energii. Podle NASA tak na základě testů lze konstatovat, že došlo k „okrajově zjistitelnému vlivu na data“, nicméně jejich kvalita prý stále převyšuje požadavky mise.

Zaostření zrcadla

Po rozložení zrcadla ve vesmíru bylo pochopitelně nutné jednotlivé segmenty přesně nakonfigurovat tak, aby odrážely dokonale ostrý obraz. K tomuto účelu je optická část vybavena 132 miniaturními elektromotory, z nichž 126 připadá na hlavní zrcadlo. Každý jeden segment tak má 7 polohových motorků, které segmenty dokáží pohybovat s přesností na 10 nm. Pro představu, šířka lidského vlasu činí 80 až 100 tisíc nm.

JWST Full Mirror
Složené hlavní zrcadlo

Tato extrémní přesnost je nutná pro dokonalé zaostření a možnost následně průběžně dolaďovat dle potřeby polohu jednotlivých segmentů. Během prvotní konfigurace se však každý segment musel pohnout o více než 12,5 mm. Celý proces tak trval deset dní, protože motorky byly zapínány postupně a jen na krátké časové úseky, takže celková rychlost pohybu segmentů činila jen asi jeden milimetr za den. Důvodem bylo mimo jiné snížení intenzity produkovaného tepla, protože během této doby zároveň docházelo k chladnutí zrcadla na cílovou teplotu -223 °C (50 K).

Engineers Clean JWST Secondary Reflector with Carbon Dioxide Snow
Čištění testovacího segmentu zrcadla „sněhem“ z oxidu uhličitého v roce 2016

Výsledná pozice musí být nastavena s tolerancí do 50 nm. NASA pro představu nabízí analogii, která je sice asi lépe představitelná pro Američany, ale stejně stojí za zmínku. Pokud by zrcadlo Webbova teleskopu mělo rozlohu jako Spojené státy a každý segment velikost Texasu, tak by se tyto jednotlivé „Texasy“ musely vůči sobě umístit s přesností na necelé čtyři centimetry.

Kolik toho Webbův teleskop vidí?

Pokud vás napadlo, že sluneční štít musí omezovat zorné pole, máte svým způsobem pravdu. Teleskop najednou „vidí“ asi 39 % nebe, ovšem protože se jeho poloha postupně mění, dokáže ve skutečnosti během šestiměsíčního okna obsáhnout 100 % svého okolí.

Webb's Field of Regard

Co se pak týče stáří jevů, které může Webbův teleskop pozorovat, jsou to v souladu s cíli mise opravdu ty prastaré. Předpokládá se, že ve vlnových délkách, které je schopen Webbův teleskop sledovat, by mělo být světlo z formace jedněch z prvních hvězd a galaxií po vzniku vesmíru – konkrétně 100 až 250 milionů let po velkém třesku. Jestliže má tedy vesmír stáří 13,8 miliardy let, Webbův teleskop by měl být schopen pracovat se světlem, které cestovalo rozpínajícím se vesmírem 13,6 miliardy let.

Závěr

Mise Webbova teleskopu stojí na samotném počátku. Hodnotit její úspěšnost či vědecké úspěchy je proto v tuto chvíli bezpředmětné. Dosavadní průběh i výsledky jsou však výborné a snímky zveřejněné 12. a 14. července tohoto roku tak lze oprávněně považovat jen za drobnou ochutnávku toho, co přijde později.

Jupiter and Europa NIRCam webbuv teleskop
Infračervený snímek Jupiteru a jeho měsíce Europa, pořízený kamerou NIRCam instalovanou na Webbově teleskopu

Všechny tři vesmírné agentury spolupracující na Webbově teleskopu, tedy NASA, ESA a CSA, vydaly nedávno společnou studii ke stavu zařízení po jeho uvedení do provozu. Podle nich jsou jeho vědecké výkony téměř ve všech oblastech lepší, než bylo očekáváno, v některých ohledech i dvojnásobně, než byl požadavek. Optimismus je tak na místě.

Autor článku
Tomáš Krompolc
Fanoušek Androidu, Googlu a moderních technologií. Rád si poslechne tvrdší hudbu a mezi jeho nejoblíbenější seriály patří ty z produkce Netflixu. V současné době je spokojeným majitelem telefonu OnePlus 6.
image/svg+xml
+

Kapitoly článku