Hubblen seuraaja: JWST

Julkaistu: 23.04.2015 / Jari Mäkinen
JWST piirroksessa

30 vuotta sitten kukaan tuskin osasi arvata, että teleskooppi olisi edelleen käytössä. Se toki suunniteltiin pitkäikäiseksi ja avaruudessa huollettavaksi, mutta neljännesvuosisata on pitkä ikä avaruuslaitteelle.

Viimeisen, vuonna 2009 tapahtuneen huoltolennon jälkeen arvioitiin, että Hubble saattaisi olla käytössä jopa vuoteen 2020 saakka, mutta nyt sen toivotaan pysyvän kunnossa vielä vuosia tästä eteenpäin. Rahoitusta teleskoopin käyttämiseen on syksyyn 2021 saakka, jolloin sen seuraajan, pahasti myöhästyneen James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) pitäisi päästä lopulta matkaan.

Kun tämän jutun ensimmäinen versio kirjoitettiin viisi vuotta sitten, oletettiin Hubblen toiminnan päättyvän nyt 2020 ja JWST:n laukaisun tapahtuvan vuonna 2021.

Hubble on saatu pysymään toiminnassa, mutta koko ajan kriittisiin systeemeihin tulevan vian todennäköisyys kasvaa. 

Suuri infrapunasilmä

Vaikka uutta avaruusteleskooppia kutsutaan Hubblen seuraajaksi, on niillä melkeinpä enemmän eroavaisuuksia kuin samanlaisuuksia. Molemmat ovat avaruudessa olevia suurella peilillä varustettuja havaintolaitteita, mutta siihen yhtäläisyydet melkeinpä jäävätkin. JWST on suurempi ja aivan eri näköinen, se lähetetään kauemmaksi ja kaiken lisäksi se katsoo ulos avaruuteen eri aallonpituusalueella.

​Aluksi lyhenteellä NGST (New Generation Space Telescope) tunnettu suunnitelma muuttui viralliseksi hankkeeksi vuonna 2002, jolloin sille annettiin myös nimi: James Webb -avaruusteleskooppi 1960-luvulla toimineen NASAn pääjohtajan mukaan. Mukana laitetta tekemässä ovat samat tahot kuin Hubbleakin, eli NASAn ohella Euroopan avaruusjärjestö ESA, jotka ovat päärahoittajia, ja lisäksi Kanadan avaruusvirasto CSA osallistuu pienemmällä osuudella.

Uusi teleskooppi on tyypiltään peiliteleskooppi, kuten kaikki uudet suurkaukoputket niin avaruudessa kuin Maan päälläkin ovat, eli suuri kovera pääpeili kerää taivaalta tulevaa valoa ja kohdistaa valonsäteet pienempien peilien avulla havaintolaitteisiin.

Ne puolestaan tuottavat joko kuvia tai tutkivat eri tavoilla saapuvaa valoa ja sen jakautumista eri aallonpituuksiin. Jotta laitteiden tuottamissa havainnoissa olisi mahdollisimman vähän kohinaa, jäähdytetään ne hyvin kylmiksi: sisälämpötila on vain seitsemän astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Niin peili kuin havaintolaitteetkin suunnitellaan toimimaan parhaiten infrapunasäteilyn aallonpituudella, koska maapallon ilmakehä suodattaa tehokkaasti lämpösäteilyä, eikä maanpäällisillä teleskoopeilla pystytä tekemään hyvin infrapunahavaintoja. Avaruudessa oleva teleskooppi on siten tuplasti hyödyllinen.

 

Teleskoopin peilimalli

JWST:n pääpeilin halkaisija on 6,5 metriä siinä missä nykyisen Hubblen peilin halkaisija on 2,4 metriä. Pinta-alaa uudessa laitteessa on siten lähes seitsenkertaisesti verrattuna Hubbleen. Näin suurta peiliä ei pystytä laukaisemaan kokonaisena avaruuteen, joten peili rakennetaan 18 kulmikkaasta elementistä, jotka kääntyvät mutkikkaan mekanismin ohjaamina tarkasti omille paikoilleen. Pääpeili on laukaisun aikaan pakattu tiiviiksi, monikerroksiseksi paketiksi, joka avautuu, liukuu paikoilleen ja napsahtaa millimetrin osien tarkkuudella oikeaan muotoonsa avaruudessa.

Yllä olevassa kuvassa on peilin pienikokoinen koekappale, jolla on testattu avausmekanismia ja optiikan saamista riittävän tarkaksi.

Peilien materiaali on kevyt ja kestävä, mutta hankalasti työstettävä beryllium-metalli.

"Huoltovapaa"

Vanha Hubble tuli kuuluisaksi laukaisunsa jälkeen viimeistään siitä, että sen pääpeili oli hiottu väärin ja sen näköä jouduttiin korjaamaan hammaslääkärin peilin kaltaisilla optisilla värkeillä.

Uuden teleskoopin peili on parasta tehdä kerralla kunnolliseksi, sillä JWST lennätetään varsin kauas maapallosta. Sen asemapaikaksi tulee ns. Lagrangen piste 2, eli Maan ja Auringon painovoimakenttien tasapainopiste, missä avaruusalus pystyy olemaan lähes paikallaan – käytännössä kiertämään omalaatuista rataa tyhjässä avaruudessa olevan pisteen ympärillä.

Tällaisia pisteitä on useampia, ja niistä L2 sopii parhaiten avaruuteen katsoville laitteille, koska siellä oleva avaruusalus säilyttää saman asennon Maan ja Auringon suhteen ja siksi sen asennonsäätö ja suuntaus ovat helpompia toteuttaa.

L2 sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maan radan ulkopuolella Auringosta katsottuna, eli matkaa sinne on lähes nelinkertaisesti enemmän kuin Kuuhun. Astronauttien vierailut uuden Hubblen luokse suunnitteillakin olevilla aluksilla on hankalasti toteutettavissa, joten uutta teleskooppia ei suunnitella astronauttien huollettavaksi.

NASA asentaa kuitenkin kaukonäköisesti JWST:n kylkeen kiinnityspisteen, mistä mahdollisesti tulevaisuudessa tehtävä robottihuoltaja voisi napata kiinni. Jo nyt suunnitteilla olevat huoltorobotit ovat kykeneviä ja pystyisivät korjaamaan teleskooppejakin, mutta niiden varaan ei vielä kannata laskea mitään: niinpä JWST suunnitellaan ja testataan kuin kauas avaruuteen lähetettävät luotaimet, kenties jopa paremmin.

Koska JWST ei siis kierrä alla sinisenä hohtavaa Maata, eikä teleskooppia tarvitse koko ajan vääntää poispäin sokaisevasta Auringosta, voi laitteen rakenne olla paljon Hubblea suoraviivaisempi. Se on siksi oikeastaan vain suuri peili, jonka alla ovat mittalaitteet sekä aurinkosuoja.

Olennaisin laitteen kokoa ja muotoa määräävä tekijä onkin laukaisu avaruuteen, sillä laite täytyy saada pakattua Ariane 5 -kantoraketin nokkaan mahtuvaksi möhkäleeksi. Eurooppalaisen Arianen rahtitila on kantorakettien suurin ja samalla laukaisu on osa eurooppalaisten maksuosuutta uudesta teleskoopista. 

Ariane 5:n rahtitila tulee täyteen uudesta avaruusteleskoopista. Pituutta sillä voisi olla hieman enemmän, mutta leveyttä ei yhtään enempää. Oikealla oleva kuva näyttää myös miten peili on taittuneena laukaisun aikaan.

Missä mennään?

Webb-avaruusteleskoopissa on kaikkiaan neljä kameraa ja spektrografia, jotka on paketoitu yhteen instrumenttimoduuliin. Ne ovat jo valmiina odottamassa teleskoopin loppukokoonpanon alkua.

Näiden neljän laitteen avuin keskitytään neljään tieteelliseen teemaan: ensimmäisten tähtien syntyyn, galaksien muodostumiseen, tähtien ja protoplanetaaristen järjestelmien kehitykseen sekä planeettakuntien olosuhteisiin. 

Teleskoopin rakentaminen päättyi (viimein) vuoden 2016 lopussa, minkä jälkeen sitä alettiin testata. Testeissä on löytynyt paljon pientä korjattavaa, minkä vuoksi laukaisupäivää jo hilattu koko ajan eteenpäin, ja nyt se odotetaan tapahtuvan maaliskuussa 2021.

Juuri nyt huhtikuussa 2020 työt JWST:n kanssa ovat kuitenkin seisahtuneen koronapandemian vuoksi. Nähtäväksi jää, kuinka tämä tulee vaikuttamaan laukaisupäivään.

ATLAST

Seuraajan seuraajakin jo suunnitteilla

Avaruushankkeista puhuttaessa horisontti on yleensä kovin kaukana, joten ei ole mikään yllätys, että tähtitieteilijät ja avaruusinsinörit miettivät jo millainen olisi JWST:n seuraaja.

Hahmotteilla oleva ATLAST, eli Advanced Technologies Large Aperture Space Telescope (kuvassa yläpuolella), jättäisi sekä Hubblen että Webbin varjoonsa sekä kokonsa että suorituskykynsä puolesta. Siinä olisi 20-metrinen mosaiikkipeili, joka toimisi sekä näkyvän valon että ultravioletti- ja infrapuna-alueilla. 

Teoreettisesti sillä pystyttäisiin erottamaan jopa eksoplaneettojen pinnalla tapahtuvia vuodenaikojen mukaisia muutoksia. Toiveikkaimpien kaavailujen mukaan se voisi olla toiminnassa vuonna 2030 – mutta tämä tuskin toteutuu.

Alla on tuorein Hubblecast, säännöllisesti Hubblen tuloksista kertova video-ohjelma, missä kerrotaan tarkemmin JWST:stä:

*

(Tätä huhtikuussa 2015 kirjoitettua juttua on päivitetty 24.4.2020)