Zazwyczaj to start rakiety jest najbardziej stresującym momentem każdej kosmicznej misji. Delikatne sondy czy satelity są miotane w kosmos na pokładzie pojazdów, które w swoich zbiornikach mają dość paliwa, by w razie wypadku wywołać eksplozję na miarę małej bomby atomowej. Chociaż dzisiejsze rakiety wybuchają niezwykle rzadko, nie ma chyba badacza, który nie wstrzymywałby oddechu na tych kilka minut, kiedy jego ukochany instrument, któremu poświęcił lata pracy, unosi się w kosmos na słupie rakietowego ognia.
Tym razem to była ta łatwa część misji. Prawdziwe nerwy zaczęły się dopiero później.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest zapewne najbardziej skomplikowaną bezzałogową misją, jaką kiedykolwiek wysłano w kosmos. Urządzenie jest tak wielkie i tak złożone, że proces jego wstępnego przygotowywania do pracy już po starcie potrwał niemal miesiąc. W tym czasie ponad 300 elementów musiało zadziałać idealnie - od silników i lin napinających rozkładających tarczę słoneczną wielkości kortu tenisowego, po delikatny proces rozkładania ogromnego, złotego lustra. Każdy błąd mógłby zakończyć się katastrofą. A w przeciwieństwie do teleskopu Hubble’a, wielokrotnie naprawianego na orbicie przez astronautów, Webba nie będzie można naprawić. Jego ostatecznym celem jest punkt w przestrzeni położony od Ziemi trzykrotnie dalej, niż największa odległość od Ziemi pokonana przez jakąkolwiek załogową misję.
Gdy kontrolerzy Webba dostali potwierdzenie, że ostatni krok tego mechanicznego tańca został wykonany bez potknięcia, radość inżynierów i astronomów była po prostu kosmiczna. A to jeszcze nie był koniec dobrych wiadomości.
Francuska precyzja
Według pierwotnego planu Webb miał pracować 6, może 10, w najlepszym przypadku 14 lat. Tak krótki czas pracy (obserwatorium Hubble’a świętowało dwa lata temu 30 lat na orbicie) wynika z tego, że obserwatorium znajdzie się w dość specyficznym miejscu. Tak zwany punkt L2 to punkt, w którym wzajemne oddziaływania grawitacyjne Ziemi i Słońca znoszą się wzajemnie. Umieszczona w tym miejscu sonda może tam pozostawać bez końca... w teorii. W praktyce ten układ jest zaburzany m.in. przez oddziaływanie Księżyca - Webb będzie musiał korygować swoją orbitę przy pomocy silników rakietowych. Ma na pokładzie 240 litrów paliwa i utleniacza. Prędzej czy później wykorzysta je całe.
Szybko okazało się jednak, że najprawdopodobniej paliwo skończy się o wiele później, niż wynosiły pierwotne szacunki. Wszystko dzięki nadludzkiej precyzji francuskich inżynierów.
Mimo że za Webba zapłacili głównie Amerykanie i powstał on w amerykańskich laboratoriach, w projekcie współuczestniczy także Europejska Agencja Kosmiczna. W ramach swojego wkładu w misję zapewniła ona wyniesienie Webba na pokładzie rakiety Ariane 5 - jednej z najpotężniejszych na świecie.
Podczas niedawnej konferencji prasowej Mike Menzel, inżynier systemów misji NASA dla teleskopu Webba powiedział, że po analizie startu okazało się, że paliwa na pokładzie teleskopu wystarczy nie na 10, ale co najmniej na 20 lat pracy. Wynika to z tego, że część paliwa na pokładzie obserwatorium miała posłużyć do korygowania jego kursu w drodze do punktu L2. Start Ariane był jednak tak precyzyjny, że korekty będą o wiele mniejsze, niż wstępnie zakładano.
Rudiger Albat, kierownik programu Ariane 5 wyjaśnił w podcaście The Interplanetary Podcast, że inżynierowie przyłożyli do tego startu wyjątkową uwagę. Wykorzystano najlepsze, najbardziej precyzyjnie wykonane komponenty, w tym silniki, które podczas przedstartowych testów spisywały się najlepiej. "To był jeden z najlepszych silników, jaki kiedykolwiek zbudowaliśmy" stwierdził inżynier. "Czuję się całkowicie zrelaksowany".
Czekając na "pierwsze światło"
Webb dotrze do swojego celu 23 stycznia. Ale na pierwsze zdjęcia przyjdzie jeszcze poczekać.
Teraz przed astronomami proces przygotowywania instrumentu do pracy. Przede wszystkim muszą niezwykle precyzyjnie ustawić 18 segmentów tworzących główne lustro obserwatorium tak, by dawały czysty obraz.
"Zwierciadła muszą być wyrównane z dokładnością dziesiątek nanometrów. To mniej więcej wielkość koronawirusa" mówiła dziennikarzom Jane Rigby, naukowiec z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda w NASA. "To bardzo metodyczny, czasochłonny proces. Teleskop nie będzie gotowy do użycia po wyjęciu z pudełka"
Wstępna konfiguracja lustra potrwa około dwóch tygodni. Gdy pojazd zajmie swoją pozycję, zespół zacznie też włączać kolejno wszystkie instrumenty badawcze, które będą analizowały obrazy z lustra, w tym kamerę bliskiej podczerwieni, spektrograf i precyzyjne czujniki naprowadzające go na wybrane przez astronomów cele.
Zobacz również:
Dopiero po trzech miesiącach teleskop zobaczy "pierwsze światło", czyli wykona pierwsze zdjęcie testowe. NASA ostrzega, że pierwsze zdjęcia będą zapewne nieostre, ponieważ konfiguracja teleskopu jeszcze się nie zakończy.
"Z góry uprzedzamy, że pierwsze zdjęcia będą bardzo brzydkie" mówi Rigby. "Będą rozmazane, będą składały się z 18 małych obrazów. Lubię myśleć o tej kwestii tak, jakby naszych 18 małych luster było primadonnami, z których każda śpiewa swoją melodię. Musimy sprawić, żeby działały jak chór, a to żmudny proces".
Dopiero po około 120 dniach, mniej więcej 24 kwietnia, Webb ostatecznie otworzy oczy. Naukowcy już mają wybrany zestaw celów, który nazywają "obrazami WOW", które mają pokazać możliwości instrumentu. Nie ujawniają jeszcze, co znajdzie się na pierwszych zdjęciach, ale zapowiadają, że ich celem będzie “"powalenie wszystkich na kolana".
Walka o czas
Potem instrument do swoich rąk dostaną astronomowie z całego świata, przede wszystkim z uczestniczących w programie USA, Kanady i Europy. Chętnych są tysiące. Czasu, który teleskop może poświęcić na obserwacje, o wiele mniej. Dostać się na listę użytkowników Webba będą mogli tylko najlepsi, i najwięksi szczęściarze.
Wnioski od naukowców o przeprowadzenie badań przy pomocy Webba są analizowane przez specjalny komitet, który skupia się wyłącznie na ich naukowej wartości. "Oceniają każdą z tych propozycji, ale nie wiedzą, kto je napisał" mówi portalowi space.com Heidi Hammel, naukowiec z zespołu Webba. "Propozycje są anonimizowane, więc wszystko, co jest oceniane, to nauka".
Zobacz również:
Jeszcze przed wystrzeleniem teleskopu, w pierwszej fazie zbierania propozycji zgłoszono 1173 pomysłów, które łącznie wymagałyby 24500 godzin obserwacji. Do podziału było tylko 6 tys. godzin.
"To był morderczy konkurs. Odrzuciliśmy trzy czwarte wszystkich zgłoszonych propozycji" mówi Rigby.
A w przyszłości ilość zgłoszeń zapewne tylko się zwiększy. Nawet działający od ponad 30 lat teleskop Hubble’a każdego roku w dalszym ciągu przyciąga ponad 1000 wniosków o obserwacje rocznie. Tylko 20 proc. z nich dostaje szansę na realizację.
Co ciekawe, dzięki wprowadzeniu anonimowego systemu zgłoszeń, odwrócił się obowiązujący od lat schemat, w ramach którego wnioski składane przez kobiety były realizowane o wiele rzadziej, niż wnioski mężczyzn. Po raz pierwszy w historii w tym roku wskaźnik akceptacji propozycji kierowanych przez kobiety był wyższy niż wskaźnik akceptacji propozycji kierowanych przez mężczyzn.
Następcy
Ale choć Webb jeszcze na dobre nie zaczął pracy, inżynierowie już pracują nad jego następcami. Proces projektowania, budowy i realizacji takiej misji jest tak długi, że nawet projekty rozpoczęte dziś doczekają się bowiem realizacji dopiero - w najlepszym przypadku - w następnej dekadzie. Czyli wtedy, kiedy Webb będzie dożywał swoich dni, a Hubble najpewniej będzie należał do odległej przeszłości.
4 listopada, niemal dwa miesiące przed startem Webba, amerykańska Narodowa Akademia Nauki opublikowała "dziesięcioletni przegląd astronomii i astrofizyki" - publikowany co 10 lat raport pokazujący możliwe kierunki rozwoju nauki w najbliższych latach. To coś w rodzaju "listy życzeń", pokazującej jakie potencjalne misje i narzędzia mogłyby najbardziej przyczynić się do rozwoju nauki.
Przegląd zawierał plany budowy czterech wielkich, kosmicznych obserwatoriów, które byłyby w stanie dokonać rzeczy niezwykłych: zaglądać w atmosfery planet poza Układem Słonecznym, słuchać rodzących się czarnych dziur i obserwować powstawanie pierwszych galaktyk we Wszechświecie. Wszystkie mogłyby rozpocząć obserwacje w latach 30. i 40.
Plan zaleca zbudowanie jednego kolosalnego teleskopu, który byłby w stanie w świetle podczerwonym, widzialnym i ultrafioletowym przyglądać się planetom pozasłonecznym - to ogromne wyzwanie, bo planety są 10 mld razy bledsze od gwiazd, które okrążają. Ale zaleca też zbudowanie dwóch mniejszych obserwatoriów, które obserwowałyby Wszechświat w promieniach Roentgena i w dalekiej podczerwieni.
W ten sposób za kilkadziesiąt lat w kosmosie znalazłaby się cała flota nowych teleskopów, dostarczających najpełniejszy obraz odległego Wszechświata.
Zajrzeć na podwórko kosmitów
Dwa spośród zaproponowanych obserwatoriów, projekty HabEx i LUVOIR, miałyby moc pozwalającą odnaleźć ślady życia na odległych planetach - poprzez analizę składów ich atmosfer i poszukiwanie w nich związków chemicznych będących produktem metabolizmu żywych istot.
HabEx przypomina o wiele większą wersję teleskopu Hubble’a - konwencjonalne obserwatorium o wielkim lustrze osadzonym w obudowie przypominającej rurę. Ma jednak coś, czego Hubble nie mógł mieć. Oprócz zasadniczego pojazdu misja zakłada wystrzelenie gigantycznego 52-metrowego, kosmicznego "parasola" w kształcie kwiatu. Parasol zająłby pozycję oddaloną o zasadniczego teleskopu o ok. 76 tys. km. i służyłby do przysłaniania światła obserwowanych gwiazd tak, by teleskop mógł wypatrzyć o wiele bledsze planety. Będzie nawet w stanie wypatrzyć oceany na ich powierzchni. Zajrzy kosmitom na podwórko.
Jeśli HabEx przypomina większego Hubble’a, to drugi z branych pod uwagę projektów, LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor), wygląda jak Webb na sterydach. W miejscu 7-metrowego lustra najnowszego superteleskopu będzie miał lustro o średnicy 15 metrów i 80-metrową osłonę przeciwsłoneczną. W przeciwieństwie do Webba LUVOIR ma być przystosowany do serwisowania przez astronautów, dzięki czemu powinien posłużyć wiele dziesięcioleci.
Głównym celem projektu LUVOIR jest bezpośrednie zobrazowanie egzo-Ziemi — planet potencjalnie podobnych do naszej. Może w ten sposób odpowiedzieć na zasadnicze pytanie o to, czy życie istnieje gdzieś we Wszechświecie. HabEx ma przyjrzeć się kilkunastu czy kilkudziesięciu planetom. LUVOIR ma zbadać ich setki. Jest tylko jeden problem. Cena teleskopu z łatwością przekroczy 5 mld dol. A zapewne zdecydowanie przebije 10 mld dol., które kosztował Webb.
Plany już są. Teraz trzeba znaleźć na nie pieniądze. Naukowcy szacują, że zarówno LUVOIR jak i HabEx mogłyby rozpocząć obserwacje w połowie lat 40. Dwa mniejsze, uzupełniające obserwatoria, LYNX i ORIGINS, mniej więcej za 10 lat. Czy uda się je stworzyć? Autorzy raportu są przekonani, że to w ogromnym stopniu zależy od teleskopu Webba. Jeśli jego "czynnik WOW" będzie wystarczająco mocny, mogą znaleźć się pieniądze na następców, którzy pokażą nam jeszcze pilniej ukrywane przez Wszechświat skarby. I pomogą odpowiedzieć na zasadnicze pytania. "Skąd się wzięliśmy" i "czy jesteśmy sami".