Tittelbildet:
Webb-teleskopet få sekunder etter å ha blitt koblet fra Ariane 5-rakettens øvre trinn. Bildet er tatt med et kamera plassert på sistnevnte.
eRomfart 2021-040, Norsk Astronautisk Forening, 26.12.2021
Dette er en nyhetsartikkel opprinnelig sendt på epost til medlemmer av Norsk Astronautisk Forening. Dersom du ikke er medlem, men ønsker å motta disse epostene og nyte godt av våre øvrige tilbud, kan du melde deg inn via vårt elektroniske innmeldingsskjema.
Webb-teleskopet skutt opp
Av Øyvind Guldbrandsen
Tidenes mest avanserte og kostbare vitenskapelige instrument, det infrarøde James Webb-romteleskopet (JWST – James Webb Space Telescope), er på vei mot Jord-Sol-likevektspunktet L2 (Lagrange-punkt 2), etter en tilsynelatende perfekt Ariane 5-oppskyting fra Kourou-basen i Fransk Guyana den 25. desember 2021.
Oppskytingen startet fra Kourou i Fransk Guyana med en europeisk Ariane 5-rakett kl. 13:20 norsk tid 25. desember.
Planleggingen, utviklingen og byggingen av teleskopet har tatt bortimot 30 år og kostet om lag 10 milliarder dollar. Med oppskyting og fem års drift blir prislappen rundt 11 milliarder. Prosjektet er et samarbeid mellom NASA, ESA og CSA, hvor NASA, som så ofte, har stått for det aller meste av bygging og utgifter. ESA og CSA har bidratt til noen av instrumentene, ESA har også bidratt med oppskytingen.
Over de neste ukene skal utfoldingen av teleskopet gjennomføres. Det vil være en langtekkelig, komplisert og risikabel prosess, hvor flere hundre separate, mekaniske prosesser må utføres korrekt. Dette skal skje under den månedslange reisen ut til L2, hvor teleskopet skal operere, 1,5 millioner km fra Jorden.
Vel fremme vil det fortsatt gjenstå fem måneder med kalibrering, uttesting og finjustering av instrumentene, sekundærspeilet,og de 18 segmentene på det 6,5 meter store primærspeilet. Sistnevnte må stilles inn med en nøyaktighet på godt under 1/1000 mm.
Først om seks måneder kan man regne med at teleskopet er klart til å starte sine forventet banebrytende vitenskapelige observasjoner, med påfølgende publisering av de første bildene.
Illustrasjon av Webb-teleskopet slik det vil ta seg ut ferdig utfoldet i rommet.
Hubbles etterfølger
Webb-teleskopet omtales gjerne som etterfølgeren til Hubble-romeleskopet. Det er sannsynlig at de to vil opereres parallelt en tid, all den tid Hubble-teleleskopet fortsatt fungerer.
Det er mange store forskjeller mellom Hubble og Webb. Hubble har et primærspeil med diameter på 2,4 meter, mot Webbs 6,5 m. Det lyssamlende arealet er således over seks ganger større for Webb som for Hubble. Til tross for dette har Webb-teleskopet en masse på ganske beskjedne 6,1 tonn, bare litt over halvparten av Hubbles 11.
Mens Hubble observerer i både ultrafiolett, visuelt og nær-infrarødt lys vil Webb nesten utelukkende observere i infrarødt. Med infrarødt vil Webb kunne observere gjennom skyer av gass og støv, som inn mot Melkeveiens sentrum, samt av stjerner, solsystemer og exoplaneter under dannelse, som for en stor del er skjult om man observerer i visuelt lys. Ekstremt fjerne galakser har også en rødforskyvning som går lagt inn i det infrarøde på grunn av den store radiale hastigheten som følge av Universets ekspansjon, slik at man må ty til infrarøde instrumenter for å observere dem.
Med Webb-teleskopet regner man med å se galakser hele 13,4 milliarder lysår borte, og således kunne se dem slik de så ut bare rundt 400 millioner år etter Big Bang, som etter hva man vet i dag skjedde for om lag 13,8 milliarder år siden.
Webb vil også kunne følge og observere objekter så nær som i vår eget solsystem, som asteroider, kometer, planeter og måner.
Vinkeloppløsningen på de infrarøde bildene fra Webb vil ikke være nevneverdig høyere enn de i visuelt lys fra Hubble, siden den teoretiske oppløsningen bestemmes av både primærspeilets diameter og bølgelengden det observeres i. Infrarødt lys har som alle vet lengre bølgelengde enn visuelt lys. Men det viktige er altså at i infrarødt vil Webb observere med langt bedre oppløsning og følsomhet enn noe annet teleskop.
Mens Hubble kretser i en lav bane rundt Jorden, vil Webb operere 1,5 millioner km fra Jorden, eller fire ganger å lang borte som Månen, hvor teleskopet vil bli holdt på plass av den kombinerte gravitasjonen til Jorden og Solen, med hjelp av små puff fra teleskopets egne rakettmotorer. Selv om teleskopet er konstruert for å vare i relativt beskjedne fem år (beskjedent sammenlignet med Hubbles 31 år så langt), håper man å kunne strekke styredrivstoffet til 10.
Ved L2 slipper man at Jorden til enhver tid dekker halve himmelen og at Sol og Måne ofte er i veien et annet sted på himmelen. Sett fra Webb-teleskopet vil Jorden, Månen og Solen alltid befinne seg i omtrent samme retning.
L2-plasseringen gir derfor stor fleksibilitet under observasjonsprogrammet. Imidlertid vil Webb-teleskopet gjennom sin konstruksjon ha en litt begrenset utsikt til himmelkulen. En minst like viktig funksjon med plasseringen i L2 er at det løser et termisk problem for teleskopet og dets instrumenter, siden man ikke trenger bekymre seg for at reflektert solstråling fra Jorden skal varme det opp. Teleskopet skal passict kjøles ned til -223 grader Celsius, og noen av instrumentene helt ned til -267 grader Celsius (6 Kelvin) gjennom aktiv kjøling, for å kunne utføre sine infrarøde observasjoner. De termiske forholdene vil også være langt mer stabile ved L2 enn i en jordbane hvor romfartøyet hele tiden beveger seg inn og ut av jordskyggen.
Til forskjell fra de fleste andre infrarøde teleskoper, som er blitt kjølt ned gjennom fordamping av medbragt, flytende helium, skal Webb-teleskopet kjøles ned ved bruk av en diger solskjerm med lengde på 21 meter, eller på størrelse med en tennisbane, som NASA foretrekker å sammenligne den med.(Amerikanerne har en forkjærlighet for å sammenligne med andre objekter, som basketballer, kjøleskap, olympiske basseng eller areal på delstater, fremfor å komme med mål og tall). Solskjermen består av fem separate folielag og skal foldes ut på vei til L2. Ved siden av utfoldingen og fininnstillingen av primær- og sekundærspeilene er dette en av prosessene det er knyttet mest nervøsitet rundt, på grunn av kompleksiteten, nå etter at oppskytingen er vellykket gjennomført.
Siden romfartøyet alltid må være orientert slik at selve teleskopet befinner seg på skyggesiden av solskjermen, begrenser det hvor mye av himmelen som til en hver tid vil være innenfor teleskopets synsvidde. Hele himmelkulen vil komme innen rekkevidde i løpet av halvårlange sykluser, etter hvert som teleskopet beveger seg rundt Solen.
Plasseringen i L2 gjør det i praksis umulig å utføre service på Webb-teleskopet fra besøkende romfartøy, i hvert fall med det man i dag har til rådighet. Etter oppskytingen av Hubble ble det foretatt hele fem serviceferder med romfergene. Uten disse ville Hubble-prosjektet nærmest vært en total fiasko, og teleskopet i alle tilfelle trolig for lengst vært ute av drift. Det viktigste, som ble gjort allerede på den første service-ferden, var selvsagt at man installerte optikk som korrigerte for Hubble-teleskopets feilslipte primærspeil, en av de største flauser i NASAs historie. Men som nettopp gjennom service-ferdene ble snudd til en av de største suksesser. Man fikk også byttet ut sviktende utstyr, deriblant de essensielle gyroene, samt oppgradert instrumentene etter hvert som den teknologiske utviklingen gjorde det mulig å produsere nye og mer avanserte enn de som først ble med opp.
Webb-teleskopet har fire instrumenter, og de kommer neppe til å bli byttet ut: To nær-infrarøde kameraer, hvorav ett også vil kunne se rødt lys og hvor det andre er kombinert med en nær-infrarød spektrograf; et nær-infrarødt spektrometer og et midt-infrarødt kamera/spektrometer. To av instrumentene har en koronagraf, som blokkerer stjernelys slik at nærliggende planeter eller støvskyer kan observeres. Instrumentene dekker til sammen bølgelengdeområdene 0,6 til 28,3 mikrometer. Hubbles dekker 0,1 til 1 mikrometer.
Lang byggeprosess
Hubble ble skutt opp med romfergen Discovery i 1990. Allerede da hadde man begynt å tenke på en etterfølger, et prosjekt som de første årene gikk under navnet Next Generation Space Telescope, eller NGST. Den formelle utviklingen av teleskopet startet på midten av 1990-tallet. Prislappen ble da anslått til rundt en halv milliard dollar.
Opprinnelig tok man sikte på et teleskop med primærspeil på hele 8 meter, noe som senere ble redusert til 6,5. Ikke i noen av tilfellene fantes det bæreraketter som kunne skyte opp noe med en slik diameter. Mens Hubble-teleskopets primærspeil består av ett stykke, ble løsningen for NGST å dele primærspeilet opp i 18 sekskantede segmenter, hvorav seks av segmentene, fordelt på to «klaffer», var brettet bakover under oppskytingen. Også andre elementære ting, som solskjermen, strukturen med sekundærspeilet, bommen med direktivantennen og solcellepanelet, var brettet sammen under oppskytingen.
De tekniske utfordringene og stadige problemene med byggingen av teleskopet viste seg langt med utfordrende enn noen innledningsvis hadde forestilt seg. Noen av disse har vi tatt for oss i tidligere artikler. En mer detaljert gjennomgang kunne alene ha fortjent et helt seminar, men av hensyn til leserne hopper vi i denne omgang glatt over noen nærmere beskrivelse, utover å si at ferdigstillingen av teleskopet, og følgelig oppskytingen, gradvis ble forskjøvet med 14 år utover det man innledningsvis tok sikte på, og at kostnadene gradvis ble mer enn 20-doblet.
Hadde noen på forhånd ant at kostnader og tidsskjema skulle gå så til de grader hinsides alle støvleskaft, ville ikke prosjektet hatt noe som helst sjanse til å bli igangsatt. Men etter hvert som det skred frem ble man på en måte fanget inn i en sump hvor det ble uaktuelt å snu, siden det allerede var investert enormt med tid og ressurser, hvor alt ville vært bortkastet ved en eventuell kansellering.
Oppskyting med Ariane 5
Valget av Ariane 5 som bærerakett, anskaffet og betalt av ESA, ble delvis gjort for at ESA skulle gi et bidrag og dermed få en fot innenfor prosjektet, men også fordi Ariane 5 var den bæreraketten i bruk med størst plass til nyttelasten. Den ble det god bruk for. Selv med alle de finurlige sammenfoldingsmetodene var det bare så vidt Webb-teleskopet fikk plass.
Illustrasjon av bæreraketten i det nyttelastdekselet sprenges av. Dekselet fjernes når raketten har forlatt atmosfæren, for å spare vekt.
Inkludert Webb-oppskytingen har Ariane 5 har vært skutt opp 112 ganger siden 1996. Programmet hadde en noe humpete start, med to helt og to delvis mislykkede oppskytinger blant de 14 første. Selv om Ariane 5 i dag regnes som meget pålitelig bærerakett, har det sjeldent vært knyttet så mye nervøsitet til en oppskyting som nå, med tanke på hva som stod på spill. Den femte og så langt siste mislykkede Ariane 5-oppskytingen skjedde tross alt såpass sent som i 2018, på den 97. ferden, hvor nyttelasten havnet i feil bane. Da klarte satellittene å manøvrere seg på plass selv. Det ville ikke vært mulig om noe tilsvarende hadde skjedd med Webb-teleskopet, som har langt mindre drivstoffreserver tilgjengelig.
Ariane 5 hadde knapt gjennomført sin første oppskyting da utviklingen av Webb-teleskopet ble vedtatt. Nå gjenstår kun en håndfull oppskytinger før Ariane 6 overtar, inkludert en med Jupiter-sonden Juice sommeren 2022.
Oppskytingen av Webb startet 25. desember kl. 13:20 norsk tid. Som med alle Ariane-oppskytinger foregikk den fra Kourou-oppskytingsbasen i Fransk Guyana på østkysten av Sør-Amerika. Tidligere i høst ble Webb-teleskopet brakt hit med lasteskip fra California, en tur som tok 16 døgn og som blant annet gikk gjennom Panama-kanalen. På grunn av den kostbare lasten ble det da ikke publisert noen presise opplysninger om reiseruten, i frykt for at enn eller annen pirata desperado terrorista skulle finne på noe kvalm.
Ariane-raketten forsvant bak skyene nesten straks etter at det hadde forlatt oppskytingsrampen. Siden ingen tydeligvis hadde tenkt på å plassere noe TV-kamera på et fly i området, ei heller på utsiden av bæreraketten, måtte man under resten av direktesendingen nøye seg med en dataanimasjon av ferden opp i rommet, ispedd bilder fra kontrollsenteret.
Underveis ble det i tillegg vist et lite glimt av teleskopet, tatt tett på med et med et kamera inne i raketten, i det nyttelastdekselet ble frakoblet.
Det var ingen bilder fra nedoverrettede kameraer på raketten som viste bakken fjerne seg, ei heller noen som viste frakobling av trinnene eller tenning av rakettmotorene, slik menigmann kanskje har blitt litt bortskjemte med fra andre oppskytinger.
Først da teleskopet ble koblet fra raketten fikk vi se relativt gode, om enn noe flimrete, direktebilder av det.
Dette stillbildet fra direkteoverføringen er fra rett etter at teleskopet var frakoblet bærerakettens øvre trinn. Hovedbildet er fortsatt fra den nevnte dataanimasjonen.
I forbindelse med oppskytingen var det gjort visse modifiseringer på Ariane raketten. For eksempel var ventilene på nyttelastdekselet endret, slik at disse tømte ut luften på en mer skånsom måte på veien opp gjennom atmosfæren. Man var redd for at luftbobler mellom folielagene på den viktige, men skjøre solskjermen ellers ville fått folien til å sprekke under overgangen til vakuum.
Rakettens øvre trinn, som sendte nyttelasten direkte inn i en bane mot L2, sørget også for å «vugge» nyttelasten under sin 16 minutter lange brennperiode, for å gi en jevnere fordeling av varmen fra strålingen fra Solen. Trinnet var også utstyrt med mer varige batterier, siden det måtte bruke tid på å manøvrere seg selv vekk fra teleskopet etter frakoblingen, for å fjerne muligheten for at disse skulle kollidere igjen på et senere tidspunkt.
Utfoldingen av solcellepanelet var det første som måtte gjøres etter at teleskopet var i bane, før batteriene om bord var tomme for strøm. De var likevel litt uventet at det skjedde omtrent straks etter at teleskopet var frigjort fra bæreraketten.
