James Webb-ruimtetelescoop toont eerste beelden

De James Webb-telescoop is klaar voor wetenschappelijk onderzoek. We staan stil bij de inmiddels gepubliceerde beelden en schetsen ook kort de weg hier naartoe.

Prominente politici op de voorgrond: zie je dat bij een onthulling van wetenschappelijke beelden van astronomieobjecten, dan weet je dat er iets bijzonders gaande is. Zo was de toenmalige EU-Commissaris Carlos Moedas in 2019 aanwezig bij de presentatie van de eerste afbeelding van een zwart gat. Dinsdagochtend Nederlandse tijd was het de beurt aan de Amerikaanse president Joe Biden en vicepresident Kamala Harris. Met het nodige Amerikaanse patriottisme onthulden zij de eerste foto in hoge resolutie van de James Webb Space Telescope. Dat was slechts de voorbode van de eerste reeks beelden die dinsdagmiddag zijn vrijgegeven. De ruimtetelescoop is nu echt klaar voor wetenschappelijk onderzoek. We staan nog even stil bij James Webb en zijn instrumenten, het tot nu toe afgelegde pad en de eerste beelden.

James Webb

Hoe zat het ook alweer met de James Webb Space Telescope?

Als het gaat om het nut van de nieuwe telescoop van NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie, wordt nogal eens de Hubble-telescoop erbij gehaald. Die doet nog steeds zijn werk, dus waarom is dit nieuwe, peperdure project van meer dan 10 miljard dollar nodig? Dat is te beantwoorden met een enkel woord: infrarood. Waar Hubble veel meer gericht is op golflengten in het zichtbare deel van het spectrum, van 0,8 tot 2,5μm, kan James Webb zich ook richten op grotere golflengten, van 2 tot 28μm. Daarmee kom je in het domein van nabij-infrarood en infrarood.

Dat is van belang als je dieper en verder het heelal in wil kijken. Omdat het universum uitdijt, wordt ook het licht min of meer uitgerekt en verschuift het steeds meer naar langere, rode golflengten. James Webb is specifiek ontworpen om deze roodverschuiving te kunnen waarnemen. Daar komt bij dat je met infrarood veel gemakkelijker door nevels en gaswolken heen kijkt. Het daar aanwezige stof absorbeert golflengten van het zichtbare deel van het spectrum, maar infraroodlicht gaat er veel beter doorheen. In zichtbaar licht maakt dat een afbeelding van een sterrennevel misschien wat mooier, hoewel de kleuren het resultaat zijn van keuzes tijdens het nabewerken, maar in infraroodlicht zijn er veel meer sterren zichtbaar.

James Webb

Wat is er bijzonder aan het ontwerp en de locatiekeuze?

Om de infraroodtelescoop optimaal te laten functioneren, is gekozen voor een bijzonder ontwerp en een niet minder bijzondere locatie. Hubble vliegt vrolijk rondjes om de aarde en is meer een traditioneel ogende ruimtetelescoop met een grote buis waarin zich de spiegel met een diameter van 2,4m bevindt. Dat zou voor James Webb niet werken. De aarde en de maan zijn bronnen van thermische straling en die zou de zwakke infraroodsignalen van objecten ver in het universum overstemmen. Bovendien zou James Webb in een baan om de aarde veel te warm worden, waardoor de instrumenten meer zouden kijken naar de eigen hitte van de telescoop dan naar signalen uit het heelal.

Daarom is de telescoop ver weg van de aarde geplaatst, op Lagrangepunt L2 op 1,5 miljoen kilometer. Daar heb je veel minder last van hittestraling. Doordat de zwaartekracht van zon en aarde op dat punt grotendeels met elkaar in balans zijn, volgt het ruimtevaartuig de jaarlijkse baan van de aarde om de zon. Dat voorkomt dat de telescoop 'wegzweeft' en in een baan en positie terechtkomt waar geen communicatie meer mogelijk is. Bovendien zitten aarde en maan niet in de weg voor observaties en staan zon en aarde altijd op hetzelfde punt gezien vanaf L2.

Dat laatste betekent dat het zonneschild van James Webb altijd in dezelfde richting gepositioneerd kan worden. Dat is belangrijk, want direct zonlicht op de spiegel en de instrumenten zou funest zijn. Dankzij het zonneschild zitten de spiegels en de instrumenten continu in de schaduw en daardoor is het daar zeer koud: -233 graden Celsius, terwijl de zonnekant van het schild ongeveer 85 graden Celsius is. De kou is nodig om de zwakke signalen op te kunnen pikken en de mate van achtergrondruis te minimaliseren. Daar komt bij dat de detectors van elk instrument van de telescoop heel koud moeten zijn om goed te kunnen werken.

Welke instrumenten bevat de telescoop?

De James Webb Space Telescope bevat vier verschillende instrumenten: de Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, de Near Infrared Camera (NIRCam), de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) en het Mid-Infrared Instrument (MIRI). De drie laatstgenoemde instrumenten zijn het interessantst.

NIRCam is de primaire camera voor het gebied van 0,6 tot 5μm en zal daar ook spectroscopie toepassen. Het instrument bestaat uit twee modules en was van belang bij het precies uitlijnen van de primaire spiegel en het vinden en in beeld brengen van doelwitten voor NIRSpec. Dit is een zeer gespecialiseerde spectrograaf die in hetzelfde nabij-infrarode golflengtegebied honderden spectra van bijvoorbeeld sterrenstelsels tegelijk kan waarnemen. Dat gaat door het openen of sluiten van 250.000 microsluiters. Ook zal NIRSpec kijken waar de atmosfeer van exoplaneten precies uit bestaat. MIRI is een tot -266 graden Celsius gekoeld instrument dat bestaat uit een camera en een spectrograaf en zich richt op het gebied van 4,9 tot 28,8μm. Dit instrument kan veel beter dan de twee nabij-infrarode instrumenten door stofwolken heen kijken, daarmee de geboorteplaatsen van sterren onthullen en kijken welke elementen er voorkomen. Daarnaast gaat MIRI ons meer vertellen over stervorming en de vraag of extreem verre lichtbronnen ook echt eerstegeneratiesterren zijn.

James Webb NIRSpec

Hoe zag het proces vanaf de lancering tot nu eruit?

Vanaf de dag van lanceren tot nu waren er twee grote billenknijpmomenten: de lancering en het uitvouwen van de telescoop. In het verleden is gekozen voor de Ariane 5-raket, maar daar paste James Webb in operationele toestand niet in. Het zonneschild en de primaire spiegel zijn daar veel te groot voor. Een lancering is altijd een risicovolle, spannende fase, maar dat gold ook voor de directe fase erna. Zou Ariane 5 James Webb wel met de benodigde precisie afzetten in de ruimte?

Dat laatste was van groot belang, want als daarbij iets mis zou gaan, zouden ook de voor daarna geplande motorontstekingen van de telescoop zelf wellicht onvoldoende zijn geweest en had het ruimtevaartuig L2 voorbij kunnen schieten. De lancering verliep zonder problemen en het punt van ontkoppeling in de ruimte was zo precies, dat de telescoop meteen op de ideale koers zat. Dat betekent waarschijnlijk ook een langere levensduur, omdat hierdoor brandstof bespaard kon worden in de fase erna, op weg naar L2. Het uitklappen van het zonneschild verliep eveneens zonder problemen en datzelfde geldt voor het uitlijnen van de primaire spiegel.

Vervolgens begon het zes maanden durende proces van afkoelen tot de extreem lage temperaturen en het testen en kalibreren. De eerste sterrenfoto die de telescoop maakte na het scherpstellen met behulp van de NIRCam-data, werd al in maart gepubliceerd. Het draaide allemaal om het goedkeuren en in gebruik nemen van alle zeventien instrumentmodi die over de vier instrumenten zijn verdeeld. De laatste, zeventiende modus, de coronagraafcapaciteit van NIRCam, is onlangs als laatste goedgekeurd. Daarmee is de telescoop volledig klaar voor wetenschappelijk onderzoek.

Giovanna Giardino, een European instrument scientist die werkzaam is bij het in het Nederlandse Noordwijk gevestigde consultancybedrijf ATG Europe en zich voor de ESA richtte op NIRSpec, vertelt Tweakers dat de resultaten tot nu toe alle verwachtingen overtreffen en dat het proces van ingebruikname in grote lijnen smooth sailing was. "Misschien hebben we ons wel te veel voorbereid op de ergste scenario's", zegt ze lachend. "De laatste keer dat we de microsluiters hebben gecontroleerd, was in 2017. Het instrument is door alle vibratietests, de akoestische tests en de lancering gekomen. Ik weet niet precies welk percentage van de microsluiters nog precies intact is, maar het is de overgrote meerderheid. Het zit boven de 80 procent en dat is voldoende." Overigens was niet precies bekend hoeveel er kapot waren ten tijde van de lancering; er werd al uitgegaan van een verlies van een deel.

Vier astrometric-field-ccd's van Gaia op een testopstelling

Giardino vertelt in het kort hoe het proces van testen en ingebruikname in zijn werk ging. "Voor de uitlijning hebben we een astrometric field (in feite een verzameling ccd's, red.) van ruimtetelescoop Gaia gebruikt. Dankzij deze telescoop hebben we van een bepaald deel van de hemel heel exacte positiecoördinaten van de sterren. Via de toepassing van geometrie op de hemel weten we precies uit welke richting het licht komt. Dat is een belangrijk onderdeel, maar dat geldt ook voor de golflengtekalibratie. Je moet weten waar de golflengten precies op de pixels vallen. Door de multi-slit spectroscopy-techniek (in plaats van het nemen van spectra langs een lijn op de hemel, worden gaatjes gebruikt om alleen het licht van sterrenstelsels door te laten en niet van andere bronnen, red.) was dat uitdagend. Een ander belangrijk onderdeel was het observeren van de photon matrix standard. Dan weten we precies de hoeveelheid fotonen die van een ster ontvangen worden op onze afstand. Op die manier zien we hoe ons instrument reageert. Dan weten we dat je voor een x-aantal fotonen een bepaald signaal krijgt en dat is belangrijk voor de kalibratie."

Wat staat er op de eerste afbeelding van hoge resolutie?

Na de nodige vertraging omdat Biden naar eigen zeggen een trip naar het Midden-Oosten moest voorbereiden, volgde in de vroege woensdagochtend eindelijk de eerste afbeelding in hoge resolutie. De foto, die van NASA de naam Webb's First Deep Field heeft gekregen, is een typische Deep Field-afbeelding zoals de Hubble Space Telescope er ook de nodige heeft gemaakt. Dit zijn foto's waarop een enorm aantal zeer ver weg gelegen sterrenstelsels zichtbaar is.

Een afbeelding van Smacs 0723, gemaakt door Hubble (links) en de huidige versie van hetzelfde cluster van sterrenstelsels. Webb's First Deep Field is gemaakt door afzonderlijke opnamen samen te voegen. Verschillende filters werden gebruikt om de grote bandbreedte aan golflengten te kunnen vastleggen. De kleur op de foto rechts is het resultaat van het toewijzen van verschillende kleuren aan elke monochromatische afbeelding die aan een afzonderlijk filter is gekoppeld.

Deze foto beslaat slechts een heel klein stukje van de hemel. Volgens NASA keek James Webb naar een gebied ter grootte van wat door een zandkorrel wordt bedekt als je die op armlengte naar de hemel richt: 2,4 boogminuten.

Te zien is het cluster Smacs 0723 zoals het er 4,6 miljard jaar geleden uitzag. Het werkt als een zwaartekrachtlens. Dit is volgens Einstens relativiteitstheorie de kromming van ruimtetijd als gevolg van massa. Dit soort clusters kunnen een aanzienlijke versterking teweegbrengen van het licht van de objecten die er ver achter liggen, zodat ze dichterbij lijken te staan. Daarmee zijn ook heel kleine, vage structuren zichtbaar die nog niet eerder zijn gezien, zoals bepaalde sterrenclusters. Sommige objecten zien we zoals ze er 13 miljard jaar geleden uitzagen.

De afbeelding is een composiet van opnamen gemaakt op verschillende golflengten en besloeg in totaal een opnametijd van 12,5 uur. NASA schrijft dat dergelijke deepfieldafbeeldingen van de Hubble-telescoop al gauw een opnametijd van weken vergen, maar dat geldt niet specifiek voor Hubbles afbeelding van Smacs 0723 hierboven. Daar deed Hubble tien dagen over, meldt Jonathan McDowell, astrofysicus bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Wat heeft NASA nog meer onthuld?

In aanvulling op Webb's First Deep Field hebben de drie samenwerkende ruimtevaartorganisaties dinsdagmiddag nog vier afbeeldingen gepubliceerd die een indruk geven van waartoe James Webb en zijn instrumenten in staat zijn. In dat kader is er een leuke vergelijkingspagina waarin alle nieuwe afbeeldingen van Webb met eerdere beelden van Hubble van dezelfde objecten naast elkaar zijn gezet.

Allereerst werd een spectrum gedeeld van WASP-96b, een exoplaneet op 1000 lichtjaar van de aarde. De data is afkomstig van de Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph en bevat gegevens over de chemische samenstelling van de atmosfeer van de planeet. Het licht is gedurende 6,4 uur gemeten, terwijl de planeet voor de ster langs bewoog. Het betreft hier licht van de ster dat door de atmosfeer heen is gegaan en dat door het instrument van James Webb is opgevangen. Het resultaat is een lichtcurve die het algehele dimmen van sterrenlicht tijdens deze transit toont, en een transmissiespectrum dat de helderheidsverandering van individuele golflengten van infraroodlicht tussen 0,6 en 2,8μm weergeeft. Volgens de gegevens zit er waterdamp in de atmosfeer en is er bewijs voor wolken en mist, wat wordt afgeleid uit het feit dat de waterfeatures niet zo groots aanwezig zijn als vooraf werd gedacht. Het betreft overigens een planeet met een diameter van 1,2 keer die van Jupiter en minder dan de helft van Jupiters massa. De planeet draait in 3,5 dag om zijn ster; de afstand bedraagt 1/9 van de afstand van Mercurius tot onze zon. Daardoor is het er zeer heet: meer dan 537 graden Celsius.

De volgende afbeelding toont NGC 3132, ofwel de Eight-Burst Nebula of Southern Ring Nebula. Er zijn twee versies van deze nevel getoond. De afbeelding links is gemaakt met NIRCam, dus op nabij-infrarode golflengten. De andere is gemaakt met MIRI en dus op de langere, mid-infrarode golflengten. We zien een planetaire nevel als gevolg van een stervende ster, een witte dwerg waarvan het interne fusieproces is gestopt en de buitenste lagen worden afgestoten. De iets helderdere ster van de twee moet zijn buitenste lagen nog afstoten. Deze draait dicht om de witte dwerg heen, wat bijdraagt aan het verspreiden van het materiaal dat van de witte dwerg afkomt. Wat opvalt, is dat de afbeelding die van MIRI afkomstig is, beter door de nevel heen kijkt en ook daadwerkelijk de binaire ster in het midden toont.

Tijdens de presentatie werd ook een onverwachte 'easter egg' gepresenteerd: een edge-on galaxy die geen onderdeel is van de nevel, maar een zelfstandig sterrenstelsel in de achtergrond. Deze is te zien aan de linkerkant van de twee afbeeldingen: een diagonale streep met een bolling in het midden.

Links Stephan's Quintet vastgelegd met MIRI en daarnaast een afbeelding waarin de MIRI-data is gecombineerd met NIRCam

ESA nam tijdens de presentatie vanuit het Duitse Darmstadt even de regie over van NASA om de volgende afbeelding te tonen. Giovanna Giardino vertelde hoe deze afbeelding genaamd Stephan’s Quintet of Hickson Compact Group 92 ons iets vertelt over hoe sterrenstelsels veranderen. Hier zijn vijf stelsels te zien, waarvan de vier in een verticale strook aan de rechterkant in elkaar zullen opgaan door hun onderlinge zwaartekracht. Zichtbaar is hoe gigantische staarten met gas, stof en sterren worden weggetrokken van enkele sterrenstelsels door de werking van de zwaartekracht. Het meest linkse sterrenstelsel is niet betrokken bij de vier aan de rechterkant. Dit sterrenstelsel, NGC 7320, staat op 40 lichtjaar van de aarde, terwijl de vier andere op 290 miljoen lichtjaar staan. De afbeelding is een combinatie van infrarood en nabij-infrarood. Als we het beeld van NIRCam weghalen en alleen het beeld van MIRI nemen, is in het bovenste sterrenstelsel een actief zwart gat zichtbaar. Althans, niet het zwarte gat zelf, maar het materiaal en gas dat eromheen draait. Het gas wordt extreem heet en daarmee extreem helder, 40 miljard keer zo helder als onze zon. Op basis van data van NIRSpec is er ook informatie over de samenstelling en fysieke eigenschappen van de sterrenstelsels.

Tot slot werd een ogenschijnlijk driedimensionale afbeelding van de Carinanevel getoond, inclusief honderden sterren die voorheen onzichtbaar waren op bijvoorbeeld de afbeeldingen in zichtbaar licht die Hubble van deze nevel heeft gemaakt. De foto toont een soort berglandschap, dat eigenlijk de rand is van een stervormende regio genaamd NGC 3324, onderdeel van de Carinanevel. Deze regio is 7600 lichtjaar van de aarde verwijderd. Deze foto toont hoe goed James Webb door dit soort stof heen kan kijken en maakt beter zichtbaar hoe sterren worden gevormd. Sommige van de 'bergen' zijn 7 lichtjaar hoog. Verder zijn in de achtergrond sterrenstelsels te zien en in de nevel zelf onder meer protostellar jets die van sommige van de nieuwe, jonge sterren af komen. Deze zijn vooral te herkennen als de meer gele en rode stipjes. De afbeelding is opnieuw een combinatie van NIRCam- en MIRI-data.