Dalekohled Jamese Webba odhalí první snímky! Proč je tak důležitý a co už zvládl?

O dalekohledu

Dalekohled Jamese Webba je považován za nástupce legendárního Hubbleova kosmického dalekohledu, ale není tomu úplně přesně tak. Za jeho nástupce ho můžeme považovat ve smyslu, že se jedná o nový symbol, ikonu astronomie, o největší a nejdražší astronomický projekt současnosti. Po stránce vědecké je ale Webbův teleskop dosti odlišný. Mezi největší rozdíly patří pozorovaná část elektromagnetického spektra, velikost, místo činnosti a v neposlední řadě také to, jak daleko teleskopy dohlédnou. 

Pro příznivce technických údajů uvedu nejdůležitější čísla s tímto dalekohledem související. Hmotnost celého dalekohledu je 6 161 kilogramů. Jeho největší část, sluneční štít, je dlouhý 20 metrů a široký 14 metrů. Z vědeckého hlediska je úplně nejdůležitější průměr jeho primárního zrcadla, ve Webbově případě největší rozměr zrcadla, který činí 6,5 metru. Největší rozměr kvůli tomu, že primární zrcadlo JWST nemá tvar kruhový, jako je tomu u drtivé většiny astronomických dalekohledů, nýbrž je složeno z 18 šestiúhelníků. Ty jsou tvořeny z beryllia s vrstvou zlata, které má perfektní odrazové schopnosti. Povrch jeho zrcadla má 25,4 m2. Ohnisková délka dalekohledu je 131,4 metru a jedná se o teleskop typu Korsch.

Největší částí dalekohledu je sluneční štít, pětivrstvá clona, jejíž rozměry jsem již výše zmínil, jejímž úkolem je co nejlépe ochránit dalekohled od slunečního světla a tepla. A to opravdu hodně důkladně. Pracovní teplota přístrojů a primárního zrcadla dalekohledu se pohybuje kolem 220 stupňů Celsia, přičemž přístroj MIRI je dokonce chlazen na méně než 266 stupňů Celsia, tj. asi pouhých 7 stupňů nad absolutní nulou! Kvůli tomu, že dalekohled pozoruje tepelné záření, i mírně vyšší teplota by mohla přezářit kosmická tělesa a pozorování by ztratila smysl. Na jeho straně, která je přivrácená ke Slunci, se nachází hlavní podpůrná jednotka dalekohledu, označovaná jako spacecraft bus, obsahující řídící a kontrolní systémy, jako počítač nebo reakční kola. Na této jednotce se také nachází anténa, jež zasílá naměřená data na Zemi a přijímá pokyny, hvězdné sledovače, které sledováním určených hvězd zaměřují dalekohled, a je na ní také upevněn solární panel, který ze slunečního záření získává elektrickou energii, která pohání observatoř. Poslední komponentou nalézající se na osvětlené straně teleskopu je tzv. trim klapka, jejímž úkolem je pomoc při jeho stabilizaci.

Avšak nejdůležitější a nejzajímavější část dalekohledu je na té straně neosvětlené. Dominantou této části a vlastně i celého dalekohledu je primární zrcadlo. Jeho úkolem je sběr světla, které poté odráží do sekundárního zrcadla. To má tvar vypouklého kruhu o průměru 0,74 metru, nachází se na trojnožce 7,4 metru od primárního zrcadla a jeho úkolem je odraz světla přicházejícího ze zrcadla primárního vstříc k zrcadlu terciárnímu, ze kterého již putuje do vědeckých přístrojů. Ty se na dalekohledu nacházejí celkem čtyři a jsou uloženy v modulu za primárním zrcadlem nazývaném ISIM (Integrated science instrument module). Prvním je NIRCam (Near Infrared Camera) je kamera, která pokrývá vlnové délky od 0,6 do 5 mikrometrů (mikrometr=mikron=miliontina metru=tisícina milimetru) a je vybavena koronografem, který zakrytím hvězd umožní zobrazit slabé objekty v jejich blízkosti. Druhým je NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), jehož autorem je Evropská kosmická agentura. Jeho vlnový rozsah je 0,6 až 5,3 mikronů, avšak jeho úkolem není snímání objektů, ale rozklad světla z nich přicházejícího do světelného spektra. Jeho unikátní vlastností je, že bude schopen získat sto spekter najednou! Dalším vědeckým přístrojem je FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) od Kanadské vesmírné agentury. FGS zajišťuje precizní zaměření dalekohledu. NIRISS je pak speciální spektrograf, který umožňuje pozorování v oddělených vlnových rozsazích. Celkový rozsah je 0,8 až 5 mikrometrů. Poslední přístroj je MIRI (Mid Infrared Instrument), který jako jediný pozoruje ve střední části infračerveného záření. Bude pozorovat na vlnových délkách od 5 do 28 mikronů a skládá se z kamery, jež poskytne širokoúhlé a širokopásmové fotografie, které budou připomínat ty legendární z Hubbleova dalekohledu, a spektrografu.

JWST pracuje primárně v blízké a střední oblasti infračerveného světla, trochu rozliší i oranžové a červené viditelné světlo. Číselně jeho spektrální rozsah sahá od 0,6 mikrometru (tj. 0,0000006 metru) po 28 mikrometrů. To umožní astronomům s dosud nepředstavitelnou kvalitou pozorovat první vzniklé hvězdy a galaxie, jejichž světlo bylo za dobu, co k nám letělo “nataženo” do těchto vlnových délek. Tyto objekty mohou být až stokrát slabší, než ty rozlišitelné HST. Mezní hodnota rudého posuvu, s nímž dokáže JWST objekty pozorovat je 20. Dosud nejvzdálenější pozorovaná galaxie HD1, o které jsme vás informovali zde, má rudý posuv 13,3. Očekává se od něj obrovský přínos ve studování raných fází vesmíru, které jsou dodnes zahaleny rouškou tajemství. Vedle toho tento spektrální rozsah také napomůže pozorování chladnějších objektů, jako jsou protoplanetární disky u mladých hvězd, jejichž vývoj bude také studovat,  nebo i planetky v naší Sluneční soustavě. Neméně důležitá bude také detekce exoplanet a dokonce analýza složení jejich atmosfér.

Životní cesta dalekohledu

První plány na nový dalekohled, ze kterého se později Webb vyvinul, byly vytvořeny již roku 1989! V polovině 90. let vznikl koncept NGST (New generation space telescope) odpovídající JWST s plánovaným datem startu v roce 2007. Roku 2002 byl teleskop pojmenován po Jamesi E. Webbovi, druhém administrátorovi NASA, který tento úřad vedl v 60. letech. Byl to právě on, kdo prosadil první vědecké mise pro výzkum Sluneční soustavy navzdory požadavkům soustředit se jen na program Apollo. O rok později NASA udělila společnosti TRW kontrakt na stavbu teleskopu. Po mnoha změnách konstrukce započala roku 2007 s plánovaným datem startu v roce 2014. Následně se datum startu odložilo na přelom let 2015 a 2016, poté na rok 2018, následně na 2019, vzápětí na 2020, pak březen 2021, říjen 2021 a v prosinci tohoto roku konečně odstartoval. Náklady na projekt mezitím vystoupaly z 0,5 na 9,7 miliard dolarů.

Na Boží hod vánoční loňského roku však konečně přišel ten desítky let sněný den, během kterého se symbol astronomie 21.století vydá do kosmu. Jsem si jist, že každý čtenář tohoto článku si živě pamatuje na 13:20 SEČ tohoto dne. Přesně v tento okamžik se totiž raketa Ariane 5 ve verzi ECA vydala z kosmodromu Kourou v jihoamerické Francouzské Guyaně vstříc odhalení těch největších záhad kosmu. Let VA 256, který byl bezespory dosud tím nejdůležitějším v historii raket Ariane, proběhl k úlevě celého světa naprosto bezchybně, čímž dalekohledu ušetřila palivo na několik dalších let provozu. 

Asi půl hodiny po startu, když se JWST oddělil od nosné rakety, došlo k uvolnění fotovoltaického panelu. Následující den provedl první korekční zážeh pro úpravu dráhy a také vyklopil rameno s anténou pro vysokorychlostní přenosy dat. Dva dny na to byl vedle druhého korekčního zážehu vyklopen přední nosník se sluneční clonou. Ten zadní ho následoval o den později a v ten samý den dalekohled “natáhl krk”, konkrétně byly vyzdviženy platformy ISIM s vědeckými přístroji a OTE s optickými prvky. V předposlední den roku 2021 byla vyklopena kompenzační klapka, která kompenzuje vychylování dalekohledu působením slunečního větru. V noci z 31. prosince na 1. ledna byl rozložen sluneční štít. Během 3. a 4. ledna bylo postupně napnuto všech 5 vrstev tohoto štítu. Necelý jeden den po tomto úspěšném kroku byla vyklopena trojnožka se sekundárním zrcadlem. Na Tři krále byl vyklopen další důležitý prvek, radiátor ADIR, jehož úkolem je odvádět přebytečné teplo od dalekohledu. Sedmého a osmého ledna se proces rozkládání dostal do samého finále, kdy došlo k vyklopení pravé a levé části primárního zrcadla vždy se třemi zrcadlovými segmenty. První extrémně důležitý krok byl splněn, dalekohled Jamese Webba je bez úhony ve vesmíru plně rozložen. 

V následujících dnech se pozornost obrátila k primárnímu zrcadlu, jelikož začalo vytahování jednotlivých zrcadlových segmentů, které bylo úspěšně dokončeno 20. ledna. O 4 dny později, 24. ledna v přesně v osm hodin večer středoevropského času zahájil teleskop finální zážeh motoru, který ho usadil na halo dráhu kolem bodu L2 soustavy Země-Slunce, nalézajícím se asi 1,5 milionů kilometrů za naší planetou. Zážeh trval 4 minuty a 58 sekund, spotřeboval při něm 2,3 kg pohonných látek a změnil svoji rychlost o 1,6 m/s. S absolutním úspěchem skončilo 29 dní strachu. 

V 16:30 11.února došlo k dlouho očekávanému zveřejnění prvních snímků, které Webb pořídil. Konkrétně se jednalo o dva snímky, z čehož jeden zachycoval primární zrcadlo a druhý již konkrétní hvězdu. Snímek hvězdy však nebyl nijak působivý, jednalo se o 18 rozmazaných a náhodně rozložených skvrn, od každého zrcadlového segmentu jedna. To bylo způsobeno tím, že ještě nebyly finálně vyrovnány zrcadla. Konkrétně se jednalo o poměrně jasnou, ale izolovanou stálici HD 84406 s vizuální hvězdnou velikostí necelých 7 magnitud, která se na pozemské obloze promítá na hranice souhvězdí Velké medvědice. Dalším krokem bylo přiřadit ke každému snímku této hvězdy segment zrcadla, odrazem od něhož vznikl. Když inženýři získali tyto informace, mohli přikročit k celkově druhému kroku kalibrace optické části dalekohledu. V rámci něj bylo zrcadlo seřízeno tak, aby jednotlivé snímky dané hvězdy byly uspořádány stejně jako segmenty primárního zrcadla. 

Třetí milník kalibrace spočíval v sjednocení 18 snímků HD 84406 do jediného. To se povedlo 25. února. V tuto chvíli jsme sice hvězdu viděli jako jediný bodový zdroj světla, teleskop ale stále fungoval jako 18 malých, namísto jednoho velkého. Bylo potřeba srovnat jednotlivé segmenty primárního zrcadla do jediné roviny s odchylkou menší, než je vlnová délka pozorovaného světla, tedy v řádu nižších desetin mikrometru! Tato akce, nazývána jako hrubé fázování, byla provedena třikrát a vždy v návaznosti na ní ještě fázování jemné. Rozdíl v těchto dvou operacích spočívá v tom, že hrubé využívá dat ze sekundárního zrcadla, jemné pak dat ze speciálních optických prvků uvnitř přístrojů, které uvádí míru rozostření každého snímku. Prostřednictvím těchto dat se dosahovalo stále větší a větší přesnosti ve srovnání zrcadlových segmentů. Tímto byl dokončen pátý ze sedmi kroků kalibrace.

Mezitím, 16. března, přišel další významný, a především vizuálně velmi poutavý milník. Byl totiž zveřejněn první zkušební snímek přibližně odpovídající budoucím schopnostem dalekohledu. Více informací naleznete v březnovém článku.

Veškeré předchozí kroky se ale vztahovaly pouze k přístroji NIRCam, v jeho zorném poli již tedy teleskop byl perfektně srovnán. V šestém kroku kalibrace bylo potřeba to samé provést v případě zorného pole zbylých přístrojů. Inženýři změřili odchylky v intenzitě světla přicházejícího do daných přístrojů a algoritmus dle toho poté dopočítal korekce potřebné k perfektnímu srovnání zrcadla na všech vědeckých přístrojích. Výjimkou se stal přístroj MIRI, který v době provedení tohoto kroku ještě nezchladl na finální teplotu, to se mu podařilo 13. dubna, a jeho zorné pole bylo zkorigováno až 28. dubna, zatímco zbylé přístroje na samém počátku dubna. V mezičase byl proveden i závěrečný, sedmý krok kalibrace, který spočíval v odstranění malých přebývajících chyb a kontrole kvality snímků z jednotlivých přístrojů. Na konci čtvrtého letošního měsíce jsme tak obdrželi zprávu o dokončení kalibrace optických prvků dalekohledu. Spolu s tím zveřejnila NASA jako důkaz ukázku snímků z každého Webbovo přístroje.

Na řadu přišlo uvádění vědeckých přístrojů do ostrého provozu a s tím spojené testování veškerých činností, jaké mají provádět. Čtyři vědecké přístroje, kterými Webbův dalekohled disponuje, totiž nabízejí 17 vědeckých režimů. To pokračovalo až do dnešních dnů. Osmého června přišla první negativní zpráva s misí spojená. Dalekohled už během svého pobytu v kosmu schytal 5 mikrometeoroidů, z toho jeden náraz byl silnější, než předpokládaly dřívější modely. I přesto ale nejsou schopnosti dalekohledu nijak sníženy, JWST totiž disponuje dostatečnou optickou, tepelnou, elektronickou i mechanickou výkonnostní rezervou.

V době psaní posledních řádků tohoto článku již celý svět napjatě očekává první vědecké snímky a spektroskopická data z teleskopu Jamese Webba. Ve středu 6. července Evropská astronomická agentura sdělila, že konkrétně bude zveřejněn nejhlubší snímek vesmíru všech dob, spektrum exoplanety, snímek vzájemně interagujících galaxií a pohledy na životní cyklus hvězd. Tato čtyři hesla sama o sobě naznačují něco spektakulárního. Jejich zveřejnění se s jistotou zapíše mezi největší astronomické milníky letošního roku a možná i desetiletí. Tyto snímky se dostanou na přední strany veškerých médií a budou k tomu mít důvod. Otevřou novou éru výzkumu vesmíru, která má potenciál odkrýt tajemství kosmu, o kterých generace astronomů mohly jen snít, éru dalekohledu Jamese Webba.

Známe objekty z prvních snímků JWST

NASA v pátek 8. 7. 2022 oznámila konkrétní objekty, na jejichž snímky a data o nich se můžeme v úterý těšit v podání Webbova dalekohledu. Vědecká mise JWST započne těmito snímky:

1) Nejhlubší kdy snímané pole. Oblast SMACS 0723 je galaktická kupa která svou gravitací "čočkuje" světlo vzdálených objektů za ní. Uvidíme tak objekty extrémně vzdálené z dob, kdy ve vesmíru vznikly jedny z prvních objektů.

2) Exoplaneta WASP-96b. Jde o planetu u jiné hvězdy. Je složená převážně z plynu a obíhá hvězdu vzdálenou asi 1 150 světelných let od Země.

3) Jižní prstencová mlhovina. Tzv. planetární mlhovina NGC 3132 je rozpínající se oblak plynu a prachu obklopující umírající hvězdu, která byla kdysi podobná našemu Slunci.

4) Stephanův kvintet. Jde o jednu z prvních objevených kompaktních skupin galaxií. V dalekohledu zde pozorujeme 5 galaxií, přičemž 4 se k sobě pravidelně navzájem přibližují a vzdalují (navzájem interagují). Dochází zde tedy k intenzivní tvorbě nových hvězd.

5) Mlhovina Carina. Známý objekt kolem hvězdy éta Carinae je nejjasnější mlhovina na obloze, od nás nepozorovatelná. Je to hvězdná porodnice. 

 

DALŠÍ INFORMACE

Tento článek je jen stručným výčtem schopností, cílů a dění kolem Webbovo dalekohledu. Především za poslední půlrok ale vzniklo i v českém jazyce nesčetné množství materiálů do hloubky informujících o tomto gigantickém astronomickém projektu. Některé byly jako odkazy zmíněny přímo ve vhodných místech textu, z těch ostatních bych vyzdvihl především články na webu kosmonautix. Z přednášek tu od Dušana Majera a Petra Dvořáka, či Martina Topinky, nebo pořad 90’ ČT24. Pro vás, kterým nevadí materiály v anglickém jazyce mohu doporučit perfektní stránku NASA, jež působivými grafikami sděluje veškerá důležitá data s teleskopem související.

.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] kosmonautix.cz
[2] wikipedia.org
[3] nasa.gov
[4] nasa.gov