Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Snart premiärdags för James Webb-teleskopet – ska spana efter stjärnljuset från universums gryningstid

Uppdaterad 18.09.2021 07:23.
James Webb-rymdteleskopet under konstruktion.

Det har varit många, långa, plågsamma år av förseningar, budgetöverskridningar och tekniskt strul. Men vi har nu ett datum för när mänsklighetens kommande öga mot kosmos ska avfyras. Dagen D närmar sig, alltså, för det hett efterlängtade James Webb-rymdteleskopet. Den 18 december ska det ske, som det nu ser ut.

Snart premiärdags för James Webb-teleskopet – ska spana efter stjärnljuset från universums gryningstid
Snart premiärdags för James Webb-teleskopet – ska spana efter stjärnljuset från universums gryningstid - Spela upp på Arenan

En unik ny inblick i det första stjärnljuset från universums gryningstid. En insikt i hur nya stjärnor och planeter föds i vår egen tid. En chans att studera exoplaneterna och deras atmosfärer. Det och mycket mer är beställningen för det kommande rymdteleskopet. Kanske är det rentav Webb som spanar in “Jorden 2”, så att säga.

Förväntningarna är alltså skyhöga på James Webb-rymdteleskopet. Teleskopet, uppkallat efter den f.d. Nasa-chefen James E. Webb, är ett samarbete mellan de amerikanska, europeiska och kanadensiska rymdstyrelserna.

Konstnärens vision av James Webb-rymdteleskopet i rymden.
Bildtext Konstnärens vision av James Webb-teleskopet på sin kommande post i Lagrange 2-punkten, 1,5 miljoner kilometer från jorden.

Om allt går enligt planerna kan det komma att förändra vår syn på universum och på oss själva, kanske mer än något annat föremål tillverkat av människohand. Lite på samma sätt som dess föregångare har gjort, det gamla och ärevördiga Hubble-teleskopet. Det är där vi måste börja storyn om Webb-teleskopet.

En åldrande trotjänare

Mer än 31 år har gått sedan den där dagen i april då rymdskytteln Discovery lyfte från Cape Canaveral, med kanske den dyrbaraste last som någon raket någonsin har burit mot skyn – tills nu i år, åtminstone.

Lasten bestod av rymdteleskopet Hubble, uppkallat efter den amerikanske astronomen Edwin Hubble. Det var han som 1924 upplyste världen om att vår galax Vintergatan bara är en droppe i ett oändligt hav av galaxer. 

Mer än 100 000 varv kring jorden senare kretsar Hubble-teleskopet fortfarande där uppe, 540 kilometer ovanför våra huvuden. Stor som en skinande blank buss ungefär, med en vikt som motsvarar två elefanter. Och med en kostnad på närmare 10 miljarder euro, till dags dato.

Rymdteleskopet Hubble lämnar rymdfärjans lastrum.
Bildtext Rymdteleskopet Hubble lämnar rymdfärjan Discoverys lastrum 1990.

Men de flesta är överens om att det har varit väl investerade pengar. Man kan lugnt säga att inget enskilt instrument i modern tid har revolutionerat vår förståelse av världsalltet på samma sätt som Hubble-teleskopet. Inget annat vetenskapligt instrument har heller bidragit till så många doktorsavhandlingar och vetenskapliga artiklar.

Det fina med rymdteleskopet Hubble är att man inte ens behöver vara intresserad av astronomi för att fatta grejen med det. Varenda en av bilderna som har tagits med Hubbleteleskopet är ett konstverk och en källa till förundran, som alla kan ta till sig

Blinka inte, lilla stjärna

Men när började då rymdteleskopens historia? Så tidigt som 1946 lade den amerikanska astronomen Lyman Spitzer fram tanken på ett teleskop i rymden, ovanför jordens atmosfär. Det skulle, menade Spitzer, kunna leverera bilder som astronomerna på de jordbundna observatorierna inte ens kunde drömma om. Markbaserade teleskop störs ju av de turbulenta luftlagren som skiljer dem och stjärnhimlen åt. Det är alltså luftens rörelser som får stjärnorna att ”blinka”. Blinka lilla stjärna är fint i en vaggvisa, men astronomerna hatar sådant.

Och så blev det att åren 1966 och 1968 sköts rymdteleskopen OAO 1 och 2 upp i omloppsbana. (OAO = Orbiting Astronomical Observatory.) De observerade på den ultravioletta frekvensen samt på röntgen- och gammaområdet och bidrog till många viktiga upptäckter. Och de banade vägen för Hubbleteleskopet, som började planeras i slutet av 1970-talet.

OAO 1, det första rymdteleskopet.
Bildtext OAO 1, det första rymdteleskopet (1966).

Men innan man ens kunde börja skissa upp ett stort och kraftfullt rymdteleskop som Hubble, krävdes det att det fanns ett fordon som kunde frakta ut det i rymden. Rymdfärjan

Sagt och gjort: 1981 hade den första rymdfärjan, Columbia, sin jungfruflygning. Nu kunde man inte bara frakta upp ett rymdteleskop som Hubble till sin utkikspost, man kunde dessutom flyga upp och reparera och uppgradera teleskopet vid behov. Utan rymdfärjorna skulle Hubbleteleskopet inte ha blivit ens närapå så långlivat. 

Det här är en viktig skillnad mellan Hubble och dess efterföljare, James Webb, som alltså nu börjar närma sig avfyrningsdags. 

Till skillnad från Hubble, som kretsar runt jorden på en höjd som motsvarar avståndet från Helsingfors till Uleåborg ungefär, kommer James Webb-teleskopet att ligga långt borta. En och en halv miljon kilometer ut, i den så kallade Lagrange 2-punkten, på bortre sidan av månens omloppsbana. Det här är nödvändigt för att Webb ska kunna observera så ostört som möjligt, skyddad från solens störande inverkan tack vare skuggan från jorden. Webb jobbar på ett lite annat sätt än Hubble, som vi ska se. 

Och ut till Webb-teleskopets avlägsna utpost kommer man inte att kunna åka sådär bara om någonting går fel. Inte minst av den orsaken har man varit tvungna att testa, dubbeltesta och trippeltesta allting om och om igen innan James Webb kunde få grönt ljus.

Hubble-trubbel

Jag menar, man vill definitivt inte upprepa nära på-fiaskot med Hubbleteleskopet 1990. Det började nämligen inte alls som på Strömsö för Hubble. De allra första bilderna tydde på en katastrofal konstruktionsmiss. Den 2,4 meter stora spegeln led av så kallad sfärisk aberration som berodde på att den var slipad aningen för flat i kanterna. Vi snackar om en felslipning som motsvarar en bråkdel av tjockleken hos ett hårstrå, men det räckte för att göra bilderna suddiga.

Det dröjde till 1993 innan reparatörerna hoppade i rymdfärjan och åkte upp och korrigerade felet, Hubble fick glasögon, liksom. Och det var först då som universum öppnade sig på allvar i en gnistrande skärpa som ingen hade skådat maken till fram till dess. 2002 installerades sedan kameran som kallas Advanced Camera för Surveys, något som ökade på skärpan ytterligare, nästan tiofalt.

Ett av de vetenskapliga huvudmålen med Hubbleteleskopet var att studera cepheider, en sorts variabla stjärnor som kan användas till att mäta avstånd i rymden. Tack vare det här har har man kunnat uppskatta universums ålder exaktare än förr.

Hubble Ultra Deep Field, en berömd bild tagen med Hubble-teleskopet.
Bildtext Hubble Ultra Deep Field, en berömd bild tagen med Hubble-teleskopet. Bilden innehåller omkring 10 000 galaxer, varav de mest avlägsna är bortåt 13 miljarder ljusår avlägsna.

Genom att studera supernovor i avlägsna galaxer kunde man också dra den överraskande slutsatsen att universum expanderar med en accelererande hastighet, en upptäckt som gav 2011 års Nobelpris i fysik till Adam Riess, Brian Schmidt och Saul Perlmutter.

Efter 31 år i rymden är Hubbleteleskopet fortfarande bland de allra främsta redskap som världens astronomer har till sitt förfogande, men allting har sin tid, och förr eller senare tvingas vi säga adjö till vårt rymdburna öga mot världsalltet. 

Till de ursprungliga planerna hörde att man skulle hämta ned teleskopet tillbaka till jorden och ställa ut det till påseende i ett museum, men sedan togs rymdfärjorna ur bruk och så var det med den saken. Det hela kunde eventuellt tänkas bli möjligt inom de närmaste åren, när SpaceX jätteraket Starship tas i bruk. Men frågan är om Elon Musk ser det som en prioritet att åka runt och plocka ned uttjänta rymdteleskop.

Mer sannolikt är att Hubbleteleskopet kommer att få möta sitt slut i en blaze of glory, som amerikanerna säger. Det kommer alltså att störtas ned i atmosfären där det brinner upp.

Webb, Hubbles ersättare? Njaa...

Men lugna puckar, vi kommer ju förhoppningsvis ha ett sprillans nytt, ännu större och bättre rymdteleskop i bruk långt innan Hubble går åt pipan. James Webb-rymdteleskopet, som alltså är ett samarbetsprojekt mellan amerikanska Nasa, europeiska ESA och den kanadensiska rymdstyrelsen CSA. Det största, mest komplexa – och dyraste – rymdteleskopet någonsin. Eller hur är det, är James Webb på riktigt Hubbles ersättare? Tja, jo och nej.

Jo, i den meningen att Webb helt säkert kommer att vidga våra kosmiska vyer på sätt som vi inte ens kan föreställa oss ännu. Nej, om man frågar Nasa själva. De ser Webb snarare som en efterföljare eller uppföljare till Hubble, än en ersättare. Det finns viktiga och avgörande skillnader mellan de två rymdteleskopen. Webb är teleskopet som går vidare dit som Hubble inte kunde gå.

Hubble är huvudsakligen inställt på att fånga in synligt ljus, det ser alltså på universum med samma sorts blick som vi. Hubble ser också en liten bit ner i det infraröda och upp i det ultravioletta, men huvudsakligen är det synligt ljus. Så Hubbleteleskopet bjuder på spektakulära visuella njutningar. Som sagt, också för den som inte bryr sig om astronomi annars.

James Webb-teleskopet ser däremot lite annorlunda. James Webb observerar huvudsakligen nere i det infraröda, och upp till synligt rött och en bit in i det gula. Men definitivt inget ultraviolett. (Det hela “översätts” hur som helst till bilder som vi kan titta på, vi behöver inte kunna se infrarött för att ta del av det som Webb ser. Lite på samma sätt som bilderna från en värmekamera, som också den ser i infrarött.)

En bild av Vintergatans centrum, tagen i infrarött.
Bildtext Centrum av vår galax Vintergatan, som rymdteleskopet Spitzer såg det, i infrarött. Mycket av det som syns på bilden skulle vara omöjligt att se med synligt ljus.

Och det finns en bra orsak till att Hubbles efterträdare uttryckligen ser i infrarött. Ett av James Webb-rymdteleskopets huvudsyften är nämligen att se så långt bort som möjligt i tid och rum. Närmare själva universums början än någon har kunnat se hittills.

Ser in i det förflutna

Att spana långt bort i rymden är nämligen detsamma som att spana långt bakåt i tiden. Bokstavligen och högst konkret, eftersom ljuset som vi ser från de allra mest avlägsna stjärnorna har färdats i uppemot tretton miljarder år innan det når oss. Forskarnas ultimata dröm är att spana så långt att de kan se när de allra första galaxerna bildades. Universum var då bara några hundra miljoner år gammalt. (Universums nuvarande ålder är alltså cirka 13,7 miljarder år, eller 13 700 miljoner år).

Och om du håller dig till synligt ljus, som Hubble-teleskopet, så finns det en gräns för hur långt bort du kan spana. Ljuset från de äldsta och mest avlägsna galaxerna har färdats så länge och så långt att det har blivit lite “trött”, så att säga. På grund av att universum utvidgas, har våglängden på ljuset från universums barndom tänjts ut och förskjutits ned i det infraröda. 

Det har blivit till värmestrålning, med andra ord, som varken våra ögon eller Hubble-teleskopet kan se. Men James Webb-teleskopet med sin massiva 6,5 meters spegel och sin infraröda blick kommer att kunna göra det. Förhoppningsvis så djupt att det kan fånga upp det urgamla, svaga, infraröda stjärnljuset från universums ungdom. 

Galaxer från det tidiga universum, på en bild tagen av rymdteleskopet Hubble.
Bildtext Galaxer från det tidiga universum, på en bild tagen av rymdteleskopet Hubble. De äldsta galaxerna här bildades när universum bara var 500 miljoner år gammalt. James Webb-teleskopet kommer att kunna se ännu längre tillbaka än så.

Ett annat av huvudsyftena med Webb är att studera tillkomsten av nya stjärnor och planetsystem. Också det här är en orsak till att Webb-teleskopet uttryckligen arbetar med infrarött. Stjärnor bildas oftast inuti enorma moln av gas och stoft. De här molnen blockerar effektivt utsikten för oss, vi kan inte se vad som händer där inne bakom molnridåerna. Åtminstone inte med Hubble-teleskopet som alltså huvudsakligen arbetar på den synliga delen av ljusspektrumet. 

Men Webb däremot, som ser infrarött, kan tränga igenom de här kosmiska dimmorna. De unga stjärnorna och planeterna som är i färd att födas där bakom sina kosmiska dimbankar, de strålar ut en massa härligt infrarött ljus. Och den infraröda strålningen, den passerar obehindrat genom stoftmolnen. Så för Webb-teleskopet kommer det att se ut som att alla de där besvärliga molnen inte finns där överhuvudtaget! Vi kommer med andra ord att få en obehindrad inblick i hur det ser ut när nya världar blir till! Bokstavligen.

Jakten på beboeliga exoplaneter

Apropå andra världar, här kommer vi till det tredje av James Webb-teleskopets huvudsakliga uppgifter: att studera exoplaneters atmosfärer. Vi kommer alltså till exempel att kunna se om det finns vattenånga i atmosfären på en fjärran planet i ett annat solsystem.

Så här går det alltså till: då en exoplanet, en planet i ett annat solsystem, passerar framför stjärnan den kretsar kring, då passerar en del av ljuset från stjärnan genom planetens atmosfär. Då absorberas en del av ljuset av de molekyler som råkar finnas i atmosfären. Till exempel syre, vattenånga eller koldioxid. Alla olika sorters molekyler lämnar unika “fingeravtryck” i ljuset som når oss via våra teleskop. Och Webb-teleskopet har fyra kameror, av vilka en del kan utföra just den här sortens spektrumanalys.

Och är det alltså en “grop” i den delen av spektrumet som absorberas av, säg nu vattenmolekyler, ja, då vet vi att det finns vattenånga i planetens atmosfär. Allra mest spännande är det såklart om det finns en grop i spektrumet på den bit där syre absorberas. För då vet vi att där finns syre! Och då, ser ni, då är frågan: vad, eller vem, är det som släpper ut syre i atmosfären där borta?

En så kallad "het Jupiter"-planet.
Bildtext Stjärnans ljus som passerar genom exoplanetens atmosfär avslöjar vilken sorts molekyler atmosfären innehåller.

De här tre stora frågorna: att spana efter ljuset från universums första stjärnor, från tidens gryning, att bevittna tillkomsten av nya världar bakom de kosmiska stoftmolnen, och att studera exoplaneternas atmosfärer – kanske rentav hitta “jorden 2” – det är alltså vad James Webb-teleskopet ska ta sig an. 

Och för det här syftet, för att kunna urskilja supersvaga infraröda glimtar bokstavligen från början av själva tiden och rymden, måste Webb “hålla huvudet kallt”. Teleskopet måste alltså gömma sig så gott det kan för solen som ju producerar massiva mängder infraröd strålning. Värmestrålning, med andra ord. Värmen från solen orsakar brus i Webb-teleskopets bilder. Också jorden strålar ut en massa infraröd strålning. 

För Hubble har det här inte varit något problem, men James Webb-teleskopet är känsligare på det sättet. Det kommer därför att få leva ett ostört eremitliv i den fjärran Lagrange 2-punkten som ligger bakom jorden, sett från solen, en och en halv miljon kilometer bort. 

Parasoll stort som en tennisplan

Lagrangepunkter är alltså punkter i rymden där två himlakroppars gravitation, i det här exemplet jordens och solens, tar ut varandra. Det här innebär att prylar som placeras där, i stil med rymdsonder och -teleskop, hålls kvar där. De blir liksom stationära i förhållande till jorden.

James Webb-teleskopet kommer inte hela tiden att täckas helt perfekt av jordens skugga, så den får lov att skydda sig själv med hjälp av det medhavda “parasollet”. James Webbs solskärm mäter 22 x 12 meter, med andra ungefär samma areal som en tennisplan. 

Och sedan var det själva spegeln som också är av modell större, så att säga. James Webb-teleskopet har alltså en primärspegel med en diameter på cirka 6,5 ​​meter jämfört med Hubbles dito på 2,4 meter. Det här är viktigt - ju större spegel, desto mer ljus kan teleskopet fånga in. Och ju mer ljus du kan fånga in, desto mer avlägsna och ljussvaga objekt kan du spana in med ditt teleskop.

James Webb-rymdteleskopet under konstruktion.
Bildtext James Webb-teleskopets spegel är ytbelagd med rent guld.

Webb-teleskopets spegel har alltså en ljusfångande yta – inalles 25 kvadratmeter – som är mer än 6 gånger större än Hubble-teleskopets. Spegeln på Webb är för övrigt gjord av beryllium och dess yta är täckt av ett lager guld, inalles 48 gram rent guld. 

De stora ytorna vi snackar om här har inneburit sina egna utmaningar för ingenjörerna. Du kan helt enkelt inte klämma in en 6,5 meters spegel som sådan i noskonen på någon av de nuvarande raketerna. James Webb-teleskopet ska alltså fraktas ut i rymden ombord på en av ESA:s Ariane 5-raketer, från raketbasen i Kourou i franska Guyana

Därför, för att klämma in den stora spegeln och det ännu större solskyddet, har ingenjörerna på Nasa varit tvungna att ta till lite extrem, högteknologisk origami. Webbs huvudspegel är ett pussel av 18 stycken hexagonformade mindre speglar som för avfyrningen är hopfällda, liksom också solskyddet. När teleskopet väl har nått sin destination, vecklas spegeln och solskyddet ut till sin slutliga form.

Den gropiga vägen till rymden

Och det här är ju ett spänningsmoment i sig. En färd ut i rymden ombord på en raket innebär en stor mekanisk stress för vilken teknik som helst. Det skakar, vibrerar och bullrar. Kommer allting att funka sedan när det är dags för Webb att sträcka ut sina vingar?

Det var just den biten som orsakade en av de senaste stora förseningarna i Webb-teleskopets tidtabell, 2018. Då testade man mekanismen för att veckla ut solskärmen. Och den delikata väven, tunn som ett hårstrå, revs sönder! Något sådant får under inga omständigheter hända sedan när det sker på allvar. För då är hela teleskopet kört! Utan solskärmen skulle teleskopet peppras av solens infraröda strålning och då skulle det inte bli några bilder av fjärran stjärnor, helt enkelt.

En viss mängd gråa hår har de ansvariga på Webb-projektet också fått av att Ariane 5-raketen inte har funkat helt problemfritt den senare tiden. 

En Ariane 5-raket som förbereds för avfyrning.
Bildtext En Ariane 5-raket på väg att rulla ut mot startplattan. I en likadan noskon ska Webb-teleskopet packas in.

Den fransktillverkade Ariane 5 är i princip en beprövad gammal trotjänare med 25 år och mer än 100 flygningar under bältet, varav bara två flygningar har misslyckats. Så det borde vara lugna puckar där. Men 2020 inträffade tekniska missöden med noskonen i samband med två avfyrningar. Även om flygningarna i sig inte misslyckades, satte man Ariane 5 på is medan problemet utreddes.

Enligt ESA ska det hela vara fixat nu, men avfyrningen av James Webb-teleskopet är så otroligt viktig, så mycket hänger vid att allting fungerar perfekt. Det finns exakt noll marginal för fel. Inte minst med tanke på att James Webb-teleskopet till dags dato har kostat mer än tio miljarder. Så det är inget litet ansvar som vilar på Ariane 5:s smäckra axlar där.

Men oddsen är ju rätt så goda, trots allt. Efter uppehållet på nästan ett år, gjorde Ariane 5 sin första flygning nu i slutet av juli, och åtminstone då gick allt som smort.

Balett med många dansare

Det som händer härnäst är en invecklad balett med otaliga dansare, så att säga. Själva teleskopet kommer nu att göra den långa resan sjövägen från Kalifornien där det byggdes av Northrop Grumman. Det här innebär bland annat en tur genom Panamakanalen.

Alla detaljerna om resans rutt och dylik strategisk information hålls hemlig för man vill under inga omständigheter locka till sig någon uppmärksamhet från eventuella pirater längs vägen.

Väl framme i Franska Guyana kommer teleskopet sedan att genomgå en sista serie av kontroller, för att försäkra sig om att inget oväntat hände under transporten. Teknikerna kommer också att försäkra sig om att teleskopet kan prata direkt med systemen ombord på Ariane.

Slutligen ska teleskopet förses med bränsle, vilket också det alltid är en känslig process. När det är gjort återstår att lyfta upp den dyrbara frakten, som det mest utsökta och spröda Fabergé-ägget någonsin, till toppen av Ariane-raketen.

Konstnärens vision av James Webb-rymdteleskopet i rymden.
Bildtext Konstnärens vision av James Webb-teleskopet vid sin slutdestination.

Ut till startplattan rullar hela ekipaget sedan den 16 december för en sista generalrepetition av startprotokollena.

Därefter följer själva rymdresan ut till den slutliga destinationen i Lagrange 2-punkten. Om allt går som det ska, kommer Webb-teleskopet att kunna börja sin invecklade dans där de hopvikta speglarna och solskyddet fälls ut, som en påfågel som breder ut sina stjärtfjädrar. Den här processen kommer att ta inalles ett par veckor.

Därefter följer ungefär ett halvår av diverse inkörning och testande, innan det egentliga arbetet kan börja. Och med arbete menar jag alltså allt det där som världens samlade kår av astrofysiker, tillsammans med oss vanliga rymd-fans, har väntat på under alla dessa år av förseningar, hot om nedläggning, budgetstrul och tekniskt trubbel.  

Julafton för rymdfans, bokstavligen

Exakt vad allt vi kommer att få se vet ingen i det här skedet, men det visste ingen heller då Hubble-teleskopet lyfte mot skyn den där dagen i april 1990. Och se på alla de magiska nya världar som Hubble har låtit oss se in i sedan dess. Och Hubble var alltså bara början. En uppvärmning.

Nä, vet ni. Julafton 2021 blir minsann en julaftnarnas julafton. Det är ungefär då vi borde veta om allt gick som det skulle när Webb vecklade ut sig. När det slog upp sitt ögonlock, liksom. Eller går någonting katastrofalt snett och alla dessa år av har varit förgäves? ESA, ni schabblar sen inte bort avfyrningen och skämmer ut oss européer för all framtid! 

Det är så spännande, det här, att jag förgås! Hålls kvar på frekvensen, så att säga - vi får lov att återkomma när vi vet mer.

Rymdbild tagen av Hubble-teleskopet.
Bildtext Ännu en godbit från Hubble-teleskopet.

Mer om ämnet på Yle Arenan

Diskussion om artikeln