Doet de James Webb Space Telescope wat van hem wordt verwacht? – Prof. Christoffel Waelkens – KU Leuven Faculteit Wetenschappen, Afdeling Sterrenkunde

Wetenschappelijke doelstelling en eerste resultaten van een mega-project

In een uiterst boeiende, erudiete en fascinerende uiteenzetting overtuigde prof. Christoffel Waelkens er zijn publiek van dat Sterrenkunde ons in een zeer ver universumverleden of beter in een jonge tijd van dat universumverleden laat kijken en dat het aandeel van de James Webb Space Telescope daarbij niet zo klein en zeker niet nutteloos is.

wikimedia

Het kan niemand ontgaan zijn dat sinds korte tijd één van de grootste (en duurste) sterrenkundige projecten operationeel is: de ‘James Webb Space Telescope’ (JWST), de ambitieuze opvolger van de al even befaamde Hubble Ruimtetelescoop. De JWST werd succesvol gelanceerd op Kerstmis 2021, had zowat een maand nodig om zijn plaats in de ruimte in te nemen en werd nadien uitvoerig getest. In juli werden de verschillende complexe instrumenten dan het ene na het andere ‘klaar voor de wetenschap’ verklaard, en sindsdien is er inderdaad begonnen met het exploiteren van de enorme mogelijkheden die het project biedt om heel spannende problemen op te lossen. En wellicht gedurende een tiental jaren!

Wat is een telescoop?

Een telescoop is in essentie een grote spiegel (of lens) die veel licht verzamelt in en rond eenzelfde brandpunt, waar instrumenten de signalen omzetten in beelden of het licht opdelen volgens golflengte, om zodoende de fysische eigenschappen van de bron te bestuderen. Onze ooglens heeft in het donker een diameter van zowat zes millimeter, de spiegel van de JWST meet 6 meter. In een zelfde tijd vangt hij dus een miljoen maal meer licht, en kan hij dus een miljoen maal zwakkere objecten zien. Bovendien kunnen we de belichtingstijd van de instrumenten aanpassen, en zo nog veel zwakkere objecten waarnemen.

Op het aardoppervlak (en misschien ooit op de Maan?) kunnen we nog grotere telescopen bouwen. Het project van de ‘Extremely Large Telescope’ van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili bouwt (tegen 2027 zowat) aan een telescoop met een spiegel van 39 m! Aardse telescopen hebben ook het voordeel dat ze beter bereikbaar en daardoor flexibeler zijn: een instrument moet niet vanaf de eerste dag onfeilbaar zijn, en kan ook verbeterd worden indien er nieuwe technologieën ontwikkeld zijn. Een ruimte-instrument boogt altijd op de technologie van 10 jaar geleden, en dat er niets mag mislopen, impliceert een substantieel hogere prijs.

Waarom naar de ruimte?

Als we een telescoop in de ruimte sturen, is dat niet om dichter bij de sterren te zijn zoals men soms denkt. Objecten in ons eigen zonnestelsel kunnen we inderdaad bezoeken, maar dat is niet meer dan onze achtertuin. Het comparatieve voordeel van een telescoop in de ruimte, is dat hij relatief weinig storing ondervindt van de aardse atmosfeer. Vele signalen die de hemellichamen ons zenden, komen er gewoon niet door. De straling met de hoogste energieën (gamma- en X-stralen, verre ultraviolet) wordt (gelukkig maar) volledig geabsorbeerd door de atmosfeer; om de hoogenergetische kosmos te verkennen, is de ruimtesterrenkunde dus essentieel. Maar ook bij de golflengtes die vanop Aarde toegankelijk zijn, kan iets meer van boven de atmosfeer: de beelden, die hier onderhevig zijn aan weer en wind, zijn scherper in de ruimte, en de achtergrond is donkerder. En dat laatste is heel belangrijk om de zwakste en de verste objecten uit het heelal te vinden.

De basisdoelstelling van de JWST was dan ook in eerste instantie de detectie en de studie van ‘First Light’, de manifestatie van de eerste structuren die ontstonden uit de vrij vormeloze oersoep van de oerknal.

Met de Hubble-telescoop is de verkenning van de verste gebieden in het heelal buiten verwachting gevorderd, en dat is nuttig, want verder kijken betekent langer in het verleden kijken. Dank zij de Hubble en andere projecten zoals de ESA-satelliet Herschel en de (sub)mm-telescopen in de hooglanden van de Atacamawoestijn in Chili, hebben we nu al een vrij goed beeld van de laatste twee derden van de geschiedenis van het heelal, en dat is dus al een heel eind in het verleden! Zo is onder meer gebleken dat toen het heelal een derde van haar huidige ouderdom had, de sterrenstelsels gemiddeld wel een tiental maal helderder waren dan vandaag, en het is mede daardoor dat we zo ver in het verleden kunnen kijken. Maar vóór die onstuimige adolescentie was er ook de kindertijd, waarin sterrenstelsels werden gevormd. Nog verder dus, maar ook intrinsiek zwakker dan hun meer nabije opvolgers, en dus enkel waarneembaar met een grotere telescoop, uitgerust met nog gevoeligere instrumenten. De basisdoelstelling van de JWST was dan ook in eerste instantie de detectie en de studie van ‘First Light’, de manifestatie van de eerste structuren die ontstonden uit de vrij vormeloze oersoep van de oerknal.

Een telescoop voor infrarood licht

Door de uitdijing van het heelal wordt het licht van de verste sterrenstelsels zogenaamd rood verschoven, we zien het bij langere golflengten naarmate de stelsels verder staan. Vandaar dat het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum aangewezen is om het verre heelal te bestuderen, en ook daar is onze atmosfeer een stoorzender. De JWST kijkt dus naar iets langere golflengten dan Hubble, ook al omdat de verbetering van de technieken op aardse telescopen ook hier voor steeds scherpere beelden zorgt in zichtbaar licht.

Electromagnetisch spectrum JWST

Maar ook om de wereld dichter bij ons te bestuderen, is infrarood licht interessant. Waar warme objecten als sterren typisch zichtbaar licht produceren, en het hoge-energie heelal zich bij nog kortere golflengten manifesteert, is het infrarood het gebied van objecten bij kamertemperatuur. Dat is het domein van de gas- en stofwolken waaruit in onze omgeving sterren geboren worden, en die processen willen we ook beter begrijpen. Maar het is ook het ideale stukje spectrum om planeten, in ons zonnestelsel maar ook rond andere sterren, te bestuderen. En het moet nu lukken dat de 30 jaren die nodig zijn geweest om de JWST te laten groeien van concept naar realiteit, ook deze zijn geweest waarin de sterrenkunde een nieuwe revolutie heeft gekend, met de ontdekking eindelijk van vele planeten bij andere sterren, en de vele verrassingen die aantonen dat de exoplanetenwereld veel en veel diverser is dan we hadden geanticipeerd. Toen bleek dat de instrumenten ontwikkeld voor de JWST zich ook uitstekend leenden tot de studie van exoplaneten, is deze laatste de tweede grote pijler geworden waarop het programma steunt.

NASA en ESA

De James Webb Telescoop is in eerste instantie een NASA-project, maar met een aanzienlijke inbreng van het Europese Ruimteagentschap ESA, en ook een bijdrage van het Canadese agentschap CSA. En het mag gezegd dat de Europese bijdrage de kwaliteit van de missie ten goede komt! We mogen er trots op zijn dat de NASA haar vertrouwen heeft gegeven aan Europa om dit vlaggenschip met een Ariane te lanceren. Ze beklagen het zich vandaag niet, want dank zij de nagenoeg feilloze sturing van de missie naar haar verre positie is er zoveel brandstof bespaard dat de verwachte levensduur van de missie zowat verdubbeld is, tot 10 jaar. Die verre positie is in de buurt van het zogenaamde Lagrangepunt L2, een positie op de lijn Zon-Aarde, maar wegkijkend van beide, waar de combinatie van aantrekkingen en baanbeweging voor een vaste configuratie zorgen. Op die manier kan de telescoop permanent wegkijken van Aarde en Zon en lange opnames maken en is de communicatie ermee heel vlot. Belangrijker nog is dat hij door een gigantisch scherm van de warmte van Zon en Aarde wordt afgeschermd en dat zo de spiegel passief kan koelen tot een 50-tal graden boven het absolute nulpunt. Dat is nodig om de infrarode straling van de kosmos te onderscheiden van de warmtestraling van de telescoop zelf!

Het nadeel van die verre baan is dat het uitgesloten is om – zoals bij de Hubble – bezoeken te brengen aan de telescoop om één en ander bij te stellen. De instrumenten met het vluchtige vloeibaar helium koelen tot dicht bij het absolute nulpunt is dan geen goede optie meer. Eén van de kritische ontwikkelingen was dan ook deze van een actief koelsysteem voor het ‘meest’ infrarode instrument MIRI, één van de oorzaken trouwens van het herhaalde uitstel van de lancering. Dit instrument is half NASA half ESA, met een aanzienlijke bijdrage van ons land. De twee voornaamste andere instrumenten zijn de camera NIRCAM (NASA) en de spectrograaf NIRSPEC (ESA), beide voor het nabije infrarood.

Het werkt!

Het goede nieuws is inderdaad dat de telescoop en de instrumenten ruimschoots de verwachtingen inlossen. De beelden zijn ongemeen scherp, de gevoeligheid is zelfs beter dan verwacht, en de complexe mechanismen functioneren zoals het hoort! In de huidige fase is er nog een leerproces om de omzetting van instrumentele impulsen naar kwantitatieve wetenschappelijke resultaten te verfijnen, maar de huidige algoritmen geven al mooie resultaten, en het kan alleen maar beter worden.

The Pillars of Creation – 19th October 2022

De NASA heeft ervoor gekozen om de gegevens van de eerste zes maanden onmiddellijk publiek toegankelijk te maken, vanuit de overweging dat iedereen recht heeft om toegang te hebben tot de vruchten van een aanzienlijke investering van overheidsmiddelen. Maar tevens omdat een open competitie bevorderlijk is om zoveel mogelijk creativiteit in te zetten om de data-analyse te verfijnen. Er is dan ook een hectische activiteit van astronomen wereldwijd om met de gegevens van de JWST aan de slag te gaan. Dat geeft aanleiding tot een enigszins chaotische stroom van ‘eerste artikels’ op het web, die zo al gepubliceerd worden vooraleer ze een grondige ‘peer review’ hebben ondergaan. Zo gaat het met evolutie en innovatie, uiteindelijk zal blijken dat de ‘fittest’ overleeft!

Hoe dan ook, alles wijst erop dat de telescoop geschikt is om de vragen die hij moet oplossen, aan te pakken, en ook dat er zoals met de Hubble vele nieuwe wegen voor onderzoek zullen worden gesuggereerd. Zowat elke week wordt dit geïllustreerd met nieuwe persberichten, die u kan vinden op websites zoals https://esawebb.org/news/

Hoge verwachtingen

Het beste nieuws tot dusver is dan misschien wel dat de verwachte levensduur van de telescoop naar boven werd bijgesteld. De positie in het Lagrangepunt L2 heeft vele voordelen, maar wel het nadeel dat het niet erg realistisch is om – op een afstand van anderhalf miljoen kilometer – een bemande ruimtemissie te organiseren om een en ander bij te stellen. In die tien jaar waar we naar uitzien, zal er ruimschoots de tijd zijn – als alles blijft functioneren uiteraard – om statistisch gesproken voldoende gegevens te bekomen om de initiële doelstellingen te halen. Maar ook om vanuit de resultaten nieuwe ideeën die door het verwachte onverwachte worden aangediend, te toetsen.

Het belangrijkste voordeel van de langere dan verwachte JWST-missie is echter wellicht dat er op die manier enige overlap zal zijn met andere grote projecten die nu in ontwikkeling zijn. We vermeldden eerder de ‘Extremely Large Telescope’ van de ESO. Die heeft het comparatieve voordeel van een nog veel groter spiegeloppervlak, maar moet opereren met een minder donkere hemel dan in de ruimte: het is de JWST die de zwakke objecten zal detecteren waarmee de ELT de volgende stap kan zetten. Wanneer de ELT in 2027 (?) afgewerkt zal zijn, zal er nog voldoende tijd zijn om beide projecten te coördineren. Hetzelfde geldt voor andere monsterprojecten in ontwikkeling, zoals de ‘Square Kilometer Array’, een gigantische combinatie van radiotelescopen, de ‘Einstein Telescoop’’, die met grotere gevoeligheid de gravitationele straling van extreem compacte objecten zal detecteren, de neutrino-telescoop ICECUBE op de Zuidpool, en ook de ‘Cherenkov Telescope Array’, die hoogenergetische straling zal detecteren door de deeltjesstromen die ze veroorzaakt in onze atmosfeer.

Het JWST-project heeft, van concept tot verwezenlijking, een generatie in beslag genomen. Het is een generatie – waartoe schrijver dezes trouwens behoort – die heeft mogen genieten van een ongekende evolutie inzake sterrenkundige instrumentatie. Maar met de JWST, en die andere projecten, laten we voor een volgende generatie de mogelijkheden na om nieuwe stappen te zetten in die fascinerende geschiedenis van de oudste wetenschap. En dat geldt ook voor ambitieuze Vlamingen, want we zijn betrokken in al deze projecten.

WAELKENS, Christoffel Leo Louis Maria, geboren te Ardooie, 20 februari 1955

Studies: Grieks-Latijse humaniora, Sint-Lodewijkscollege, Brugge -Voorbereidend jaar Wiskunde, Sint-Amandusinstituut, Gent, 1972-73 -Kandidaat Wis- en Natuurkunde, KULAK, 1975 -Bijzonder Baccalaureaat Wijsbegeerte, KU Leuven, 1976 – Licentiaat Natuurkunde, KU Leuven, 1977 -Doctor in de Wetenschappen, KU Leuven, 1984

Carrière sinds het doctoraat

Aangesteld Navorser NFWO: 1984-1986 – Bevoegdverklaard Navorser NFWO en Buitengewoon Docent KU Leuven: 1986-1990 -(Hoofd)docent KU Leuven: 1990-1992 – Hoogleraar KU Leuven: 1992-1996 – Gewoon Hoogleraar KU Leuven 1996 – 2020 – Emeritus Hoogleraar (met opdracht) sinds 2020

Onderzoeksdomeinen

Astrofysica (studie van de structuur en evolutie van sterren), ruimteonderzoek

Wetenschappelijke dienstverlening

Europese Zuidelijke Sterrenwacht ESO

Lid (1995-2000) en Voorzitter (1997-2000) van het Observing Programmes Comittee

Belgisch afgevaardigde (2007-2020) in de ESO Council

Europees Ruimteagentschap ESA

Lid (1991 – 2008) van de Belgische Delegatie in het Science Programme Committee

KU Leuven

Afdelingshoofd van het Instituut voor Sterrenkunde van 1996 tot 2011

Programmadirecteur ‘Sterrenkunde’ en ‘Space Studies’

Functies in wetenschappelijke projecten

Co-Principal-Investigator van het PACS project voor de ESA-ruimtemissie Herschel

Lid van het Herschel Science Team

Lid van het MIRI Science Team voor de NASA-ESA James Webb Space Telescope

Instigator en internationaal vertegenwoordiger van de Vlaamse Mercatortelescoop op het eiland La Palma

Publicaties

Een honderdtachtigtal artikels in internationale tijdschriften, een negentigtal bijdragen in proceedings van internationale conferenties, een twintigtal publicaties voor een breder publiek, waaronder twee boeken (De kode van de kosmos, Lannoo, 1996; De wetenschap van de kosmos, Acco, 2007).

Hobby

Sterrenkunde

Met dank aan prof. Waelkens en UDLL

%d bloggers liken dit: