2021. december 25-e legtöbbünk számára békességben, nyugalomban telt, több ezer embernek azonban minden bizonnyal ez volt élete egyik legizgalmasabb napja, de karácsonya egészen biztosan. Kutatók és mérnökök százai figyelték lélegzet-visszafojtva a helyszínen, az élő internetes közvetítésnek köszönhetően pedig a csillagászat és az űrkutatás iránt érdeklődők milliói szerte a világon, ahogyan a Francia Guyana-i Kourou Űrközpont kilövőállásáról hosszú lángoszlopra támaszkodva, méltóságteljesen magasba emelkedett az Ariane 5 hordozórakéta, csúcsában hasznos terhével, a szó szerint összehajtogatott James Webb-űrtávcsővel. Az izgalmak a sikeres felbocsátással nem értek véget, hiszen az űrtávcsőnek még el kellett érnie végső állomáshelyét – ez nagyjából két hétig tartott –, közben pedig ki kellett csomagolnia magát, hogy mire odaér, készen álljon a tesztüzemmód megkezdésére.
A James Webb-űrtávcső teljes „fegyverzetben” (fantáziakép, NASA)
A Webb-űrtávcső nemcsak méretében különbözik „elődjétől”, hanem működési módjában és helyében is.
Míg a Hubble a Föld körül kering, nagyjából 600 kilométer magasságban, a Webb-űrtávcsövet a Nap–Föld-rendszer úgynevezett L2 Lagrange-pontjába küldte a NASA. Az égi mechanika egyik legfontosabb problémája a korlátozott háromtestprobléma, amely azzal foglalkozik, hogy két nagy tömegű égitest gravitációs terében hogyan mozog egy harmadik, hozzájuk képest elhanyagolható tömegű test. Ebben a konfigurációban létezik öt olyan pont – ezek a Lagrange-pontok –, ahol a kis tömegű test a két nagyhoz képest hosszú ideig többé-kevésbé nyugalomban maradhat. Három Lagrange-pont a nagy égitesteket összekötő egyenesen helyezkedik el, az L1 közöttük, az L2 a kisebb tömegűnek a nagyobbikkal átellenes oldalán, az L3 pedig fordítva, míg az L4 és az L5 pontok egyenlő szárú háromszöget alkotnak a nagy égitestekkel. A Nap–Föld-rendszer esetében az L2 pont tehát a Nappal átellenes oldalon, a Földtől mintegy másfél millió kilométerre van. Az L2 pont „értékét” az adja, hogy az ideirányított űrtávcsövekkel – nem a Webb az egyetlen – részben a jó láthatóság, részben a még viszonylag kis távolság miatt könnyű a kommunikáció, a pálya stabilitása pedig kevés üzemanyag felhasználásával fenntartható. A megoldásban van egy kis trükk is: a Webb valójában nem az L2-ben van, hanem kering körülötte, mégpedig olyan ellipszispályán (vagy halópályán), amelynek a mérete (pontosabban a nagytengelye) nagyjából akkora, mint a Föld–Hold-távolság.
Az L2 pont a gyors és zavartalan kommunikáció szempontjából még nincs túl messze, egy másik szempontból viszont már kellően nagy távolságban van a Földtől. A Webb a Kozmoszból érkező, 0,6–28,3 mikrométer hullámhosszúságú infravörös sugárzás detektálására épült.
Ennek a tartománynak csak a legrövidebb hullámhosszúságú, kicsiny szelete detektálható a földfelszínről, a többi csak a világűrből.
Gondot okoz azonban, hogy sok a méréseket zavaró zaj: a vizsgálni kívánt érdekes csillagászati objektumokon kívül más források is sugároznak ebben a tartományban, jellemzően jóval nagyobb intenzitással, mint a célobjektumok. Egyik intenzív zavaró forrás maga a Föld, ezért kellett bolygónktól elég messze küldeni a távcsövet. Másik zavarforrás a Nap, amelynek sugárzása ellen külön védelmet is kapott az űrtávcső, ez a fantáziaképeken látható jellegzetes, öt rétegből álló árnyékolópajzs, amely mindig a főtükör és a műszerek, illetve a Nap között helyezkedik el. A harmadik zajforrást maguk a műszerek és a vezérlés jelentik, azok elektronikája is bocsát ki zavaró infravörös sugárzást. Ezért az adatrögzítésért, kommunikációért, energiaellátásért, meghajtásért, vezérlésért felelős berendezések a pajzs Nap felőli oldalán kaptak helyet, ahol kellemes, ám infravörös sugárözönt jelentő 27 °C hőmérséklet uralkodik, míg a csillagászati műszerek a pajzs főtükör felőli oldalára kerültek. Ezeket cseppfolyós héliummal 50 kelvin (–223 °C) alá hűtik, így csökkentve lehető legkisebbre azok saját infravörös sugárzását. Sajnos ez egyben azt is jelenti, hogy a Webb egészen biztosan nem fog olyan sokáig működni, mint a Hubble (tervezett élettartama 5–10 év), hiszen, ha a műszerek hűtésére használt cseppfolyós hélium teljesen elpárolog, hűtés nélkül azok infravörös zaja akkorára nő, hogy a mérendő jelet szinte teljesen elnyomva lehetetlenné (értelmetlenné) teszi a méréseket. Megfelelő űreszköz hiányában és ekkora távolságban pedig szervizelni sem lehet, de ha technikailag lehetséges is lenne a karbantartás, a költségei egészen biztosan tetemes összegre rúgnának.
Másik jellegzetessége a Webbnek maga a 6,5 méter átmérőjű főtükör. A Hubble 2,4 méteres főtükre egyetlen tömb, ezzel szemben a Webb fő optikai eleme 18 hatszögletű elemből áll össze, az ezek által egyenként alkotott képeket számítógép illeszti össze egyetlen képpé. A méhsejtszerű kialakításra súlykorlátozási és helytakarékossági okokból is szükség volt. Egy 6,5 méteres monolit tömb nem fért volna be az Ariane 5 rakterébe, és a tömege is messze meghaladta volna azt, amekkora terhet a rakéta a világűrbe tud juttatni. A szegmensekből álló főtükröt viszont szépen össze lehetett hajtogatni. Ugyanez igaz a segédtükröt tartó rudakra is, és szintén összehajtogatva a hővédőpajzs leheletfinom rétegei sem foglaltak el nagy helyet, így az egész űrtávcső elfért a rendelkezésre álló raktérben. Az L2 pontig tartó út során a távcső lépésről lépésre csomagolta ki magát, és helyezte működőképes állapotba egyes részegységeit. A közel kétszáz mozzanatból álló több hetes folyamat bizonyára még nagyobb izgalmakat okozott az építők és az üzemeltetők körében, mint a felbocsátás néhány perce, hiszen utóbbi ma már rutinfeladatnak számít (ritkán történik baleset start közben), űrtávcsövet azonban viszonylag ritkán csomagolnak ki a Földtől több százezer kilométerre úgy, hogy a beavatkozási lehetőségek minimálisak. Három évtized és 10 milliárd dollár távolodott szép lassan a Földtől: nagyon kellemetlen lett volna, ha bármilyen – esetleg végzetes – hiba történik a folyamat során. Szerencsére minden a terveknek, forgatókönyveknek megfelelően zajlott, amiben nyilván nagy szerepe volt annak, hogy az építők a legapróbb alkatrészekig mindent messze menő alapossággal teszteltek a felbocsátás előtti években. A pénzügyi és egyéb, például a járvány okozta nehézségeken túl ez is hozzájárult a projekt jelentős csúszásához (az először tervezett indítási dátum 2007, a kezdeti költségvetés pedig 500 millió dollár volt): az űrbe csak olyan eszköz, műszer, alkatrész indulhatott, amelynek megfelelő működésében szinte száz százalékig biztosak voltak a kutatók és a mérnökök.
A Webb főtükre a legnagyobb, amelyet eddig a világűrbe küldtek, a méret azonban mit sem érne megfelelő műszerek nélkül. Az űrtávcsőnek négy infravörös detektora van, amelyekkel képet lehet alkotni, illetve színképeket lehet előállítani és rögzíteni. Az infravörös tartományban végzett vizsgálatok alapvető fontosságúak, mivel minden alacsony hőmérsékletű objektum ebben a tartományban sugároz a legintenzívebben. Sok érdekes dolog pedig ott történik, ahol vagy magas, vagy éppen alacsony a hőmérséklet. Utóbbi kategóriába tartozik például a csillagkeletkezés. A csillagok hatalmas molekulafelhők gáz- és poranyagából jönnek létre. Sajnos az optikai tartományban, ahol az emberi szem is lát, és a földi távcsöveink nagy része is működik, a por a sugárzás jelentős részét blokkolja, azaz nem látunk át rajta, a porfelhők elrejtik előlünk az objektumokat. Az infravörös tartományban azonban már nem számottevő a por elnyelésének mértéke, így bepillanthatunk az izgalmas helyekre, és remélhetőleg még többet megtudhatunk a csillagkeletkezés bonyolult folyamatáról. Ugyanezt várjuk a Naprendszeren kívüli bolygók esetében is. A Webb képes lesz arra, hogy az infravörös tartományban közvetlenül is lefényképezzen exobolygókat, de részleteiben vizsgálhatja azok légkörét, ezen keresztül pedig akár az időjárásukat is. Ha egy exobolygó keringése során (tőlünk nézve) elhalad a csillaga előtt, akkor a csillag hozzánk érkező sugárzása áthalad a légkörén (ha van neki), ez pedig nyomot hagy a fényen, amelynek színképi elemzésével kideríthető a bolygólégkör kémiai összetétele, de a hőmérséklet-eloszlásáról és az áramlási viszonyairól is szerezhetünk így információt. A Tejútrendszer középpontjában is érdekes dolgok rejtőznek a porfüggöny mögött. Több évtizede tudjuk már, hogy a centrumban egy szupernagy tömegű fekete lyuk foglal helyet, amelynek közvetlen környezetéről rádiótávcsövek hálózatával végzett interferometriai mérések alapján már képet is alkottak, és azt néhány hete hozták nyilvánosságra.
A Webb azonban ennél jóval messzebbre is ellát majd, és az Univerzum ősrobbanás utáni lehető legkorábbi állapotáról is minden eddiginél pontosabb információkat szolgáltat majd.
Mivel a főleg elektromágneses hullámok formájában terjedő információ sebességének van felső határa, ezért minél messzebbre nézünk, az Univerzum annál korábbi állapotát látjuk. Már a Hubble is képes volt arra, hogy az ősrobbanás után félmillió évvel kialakult legősibb galaxisokat megmutassa, a Webb megfigyeléseivel azonban a kutatók ezt a rekordot is szeretnék megdönteni, hogy legalább százezer évvel korábbra visszapillantva tanúi lehessenek a legelső csillagok születésének is. Ebben az Univerzum tágulása is segítségükre lesz, mivel a csillagok és a galaxisok keletkezéséről és kialakulásáról leginkább tudósító ultraibolya sugárzás a tágulás okozta Doppler-eltolódás miatt ma már infravörös sugárzásként detektálható, éppen abban a tartományban, amelyben a Webb is észlelni fog.
Az elmúlt félévben a távcső és a műszerek beüzemelése, kalibrálása, tesztelése zajlott. Az eredmények biztatóak, úgy tűnik, minden készen áll arra, hogy már júniusban megkezdődjenek a tudományos célú észlelések. (A NASA honlapja szerint az első képek és színképek nyilvánosságra hozásának tervezett dátuma 2022. július 12.) Érdemes megemlíteni, hogy a magyar Detre Örs Hunor (Max Planck Institut für Astrophysik, Heidelberg) is közreműködött a Webb egyik műszerének fejlesztésében, illetve csillagkeletkezéssel és szupernóvákkal kapcsolatos észlelési programokkal magyar csillagászok is sikerrel pályáztak Webb-távcsőidőre.
Mivel az infravörös tartományban fizikai okokból még ekkora méretű távcsővel sem érhető el olyan szögfelbontás, mint a Hubble-űrtávcsővel az optikai tartományban, ezért a kijelentés második fele csak képletesen igaz, de a csillagászat történetének legdrágább távcsöve és műszeregyüttese felkészült, hogy az Univerzumról alkotott, sok helyütt homályos képünk pixeleit tovább élesítse. Reméljük, hogy az általa szolgáltatott megfigyelési adatokon alapuló tudományos eredmények legalább akkora előrelépést jelentenek majd a csillagászatban, mint a Hubble adatai.
A szerző csillagász
Nyitókép: Az összehajtogatott James Webb-űrtávcső elhagyja az Ariane 5 hordozórakéta rakterét (fantáziakép, ESA/D. Ducros)
