Terugblik op een jaar James Webb

Inleiding

Op 25 december 2021 was het even geen vrede op aarde in het anders zo rustige regenwoud van Frans-Guyana. Even na het middaguur Nederlandse tijd werd een paar kilometer ten westen van Kourou een 'vulkaan' ontstoken. Niet door moeder natuur, maar door Arianespace. Het Franse lanceerbedrijf dat verantwoordelijk is voor de lanceringen van onder meer de Ariane 5- en Vega-raketten, voltooide de standaardaftelprocedure voor de 112e lancering van een Ariane 5-raket.

Nadat het aftellen de 0 had bereikt, werd het gebruikelijke 'allumage moteur Vulcain', of 'ontsteking Vulcain-motor', uitgesproken door de Franse vluchtleider. Vervolgens werden de bouten die de raket aan het platform vasthielden, tot ontploffing gebracht en kwamen de twee vastebrandstofboosters die 90 procent van de benodigde stuwkracht leveren, bulderend tot leven, 'allumage des EAP', gevolgd door het verlossende 'décollage', of 'opstijgen'. Binnen de kortste keren was de Ariane 5 in de wolken verdwenen, op weg naar de ruimte. Aan boord: de James Webb Space Telescope.

De Amerikaanse commentator omschreef de lancering als volgt: "Lift-off vanuit een regenwoud naar de grenzen van de tijd, James Webb begint een reis terug naar de geboorte van het universum." De belofte van een telescoop die Hubble bijna doet verbleken, maakte dat menigeen reikhalzend naar de lancering heeft uitgekeken. Dat geldt zeker voor de vele wetenschappers die meer dan een decennium aan de tien miljard kostende ruimtetelescoop hebben gewerkt. Het lange wachten en de forse prijs lijken het tot nu toe meer dan waard te zijn geweest, gelet op de wetenschappelijke papers die al zijn verschenen, de mogelijkheid om tot 13 miljard jaar terug in de tijd te kijken en vooral de prachtige beelden die tot nu toe al zijn gemaakt en vrijgegeven.

Het project, de lancering en alles wat erna kwam, lijkt een 'unaniem belachelijk groot succes' te zijn, om een weinig bescheiden Nederlandse tv-presentator te citeren. Zijn er dan echt geen beren op de weg geweest? Toch wel. Onder meer daarover spraken we met Ramon Navarro. Een jaar geleden bevroegen we hem al voor het artikel over het Mid-Infrared Instrument van de telescoop, dat onder zijn verantwoordelijkheid is ontworpen, gebouwd en getest bij NOVA-Astron in Dwingeloo. In dit artikel blikken we terug op enkele verschillende fasen en ontwikkelingen van het afgelopen jaar en zoomen we in op enkele issues die zijn ontstaan, waarvan een deel niet echt te corrigeren is.

Terugblik

Met het zeer goede trackrecord van de Ariane 5-raket leek een succesvolle lancering op voorhand bijna een gegeven, maar toch is het elke keer spannend en dat was zeker nu het geval. Zou de lancering niet uitmonden in een grote vuurbal en zou de als origami in elkaar gevouwen telescoop geen last krijgen van de aanzienlijke vibraties tijdens de lancering en ten tijde van het max q-moment? Spannend was ook of de ontkoppeling in de ruimte goed zou verlopen en de zonnepanelen wel uit zouden klappen. Bovendien moest de telescoop op een zo goed mogelijk punt worden afgezet om de 1,5 miljoen kilometer lange reis naar Lagrangepunt L2 met zo weinig mogelijk moeite te kunnen vervolgen. Waar misschien nog meer zorgen over waren: zouden de 344 single-point-of-failure-items geen problemen opleveren en zouden specifiek de 178 releasemechanismen om 50 delen uit te vouwen allemaal perfect werken? Had er eentje niet gewerkt, dan hing er voor 10 miljard dollar een stuk onbruikbaar puin in de ruimte.

James Webb

Het 'uitvouwen' van de telescoop vond plaats tijdens de reis naar L2. Het begon met het uitklappen van de zonnepanelen en de communicatieantenne, het in stelling brengen van de structuur van de secundaire spiegel en het zo belangrijke uitklappen van de twee zijvleugels waarmee de primaire spiegel een geheel wordt.

Het zonneschild bestaat uit kapton, dat goed bestand is tegen hoge temperaturen en stabiel is tussen -269 en 400 graden Celsius. De vijf lagen zijn voorzien van een aluminiumcoating en de twee buitenste lagen hebben een coating van gedoteerd silicium om de hitte zo goed mogelijk te reflecteren.

Allemaal cruciale stappen, maar Ramon Navarro hield vooral zijn adem in bij een specifiek proces voor het gereedmaken van het zo belangrijke zonneschild. Het zonneschildmateriaal is fragiel en moest tijdens de lancering goed worden vastgehouden. Het werd ingepakt in een soort geheugenmateriaalfolie. Uiteindelijk moest dit materiaal zichzelf oprollen, zodat het zonnescherm tevoorschijn kon komen om te worden uitgevouwen. Waarom was juist dit zo'n billenknijpmoment voor Navarro? "Alle andere processen zijn met motoren aangedreven. Stel, iets doet het niet, dan probeer je het nog een keer, je gebruikt wat meer stroom; kortom, je kunt wat proberen. Dat geheugenfolie moest geheel passief uit zichzelf oprollen. Ik dacht: misschien is het daar heel koud, bevriest het en werkt het niet meer. Ik vond het eng, maar het werkte perfect."

Na het uitklappen van de twee zijvleugels van de primaire, goudkleurige spiegel, waarmee deze op het oog een geheel vormt, brak onder meer het moment van segmentering aan. De primaire spiegel bestaat uit achttien zeshoeken of hexagonen. Elke hexagoon werd vooraf in een locked positie gebracht om de lancering te overleven. Eenmaal in de ruimte moest elke hexagoon 12mm opschuiven naar de nominale positie, wat enkel om en om, met stapjes van 10μm per keer kon, anders zouden de motoren oververhit raken. Dit proces nam twee weken in beslag. Het resultaat was dat elk van de achttien spiegelsegmenten in feite zijn eigen telescoop vormde en er dus achttien afbeeldingen van een ster te zien waren.

Alle hexagonen werden vervolgens zo gericht en uitgelijnd dat alle beelden op elkaar vielen, ook al was er dan nog geen sprake van een volledig operationele telescoop die op volledige resolutie kon waarnemen. Daarvan was voor het NIRCam-instrument, de belangrijkste camera voor licht van het zichtbare deel van het spectrum, pas sprake nadat de 'alignment selfie' gereed was. Voor die selfie is een speciale lens in NIRCam gebruikt om afbeeldingen van de primaire spiegel te maken in plaats van afbeeldingen van het heelal. Op de selfie is te zien dat alle achttien hexagonen gezamenlijk licht verzamelen van dezelfde ster.

Waarom is James Webb een gat in de markt?

Er waren nogal wat stappen die allemaal goed moesten verlopen. Dit allemaal voor het grote doel: verder kijken, maar ook beter kijken. James Webb richt zich op grotere golflengten dan Hubble, vooral nabij-infrarood en infrarood. Hubble richt zich veel meer op golflengten van het zichtbare deel van het spectrum. Deze oudere ruimtetelescoop kan binnen het totale infraroodgedeelte van het elektromagnetisch spectrum slechts van 0,8 tot 2,5μm waarnemen, terwijl James Webb kan waarnemen tot 28μm. James Webb haalt niet alleen een hogere resolutie, maar kan door deze grotere golflengten ook een stuk verder terug in de tijd kijken, zoals naar de zeer ver weg gelegen, roodverschoven sterrenstelsels. Daarnaast kan de telescoop dankzij de focus op infrarood veel beter dan Hubble door nevels en gaswolken heen kijken, zodat er ineens veel meer sterren worden 'ontsluierd'. Bovendien moet James Webb een behoorlijke sprong voorwaarts betekenen voor het bepalen welke chemische verbindingen aanwezig zijn in de atmosfeer van exoplaneten en in sterrenstelsels.

Links een uitsnede van een afbeelding van de Carinanevel gemaakt met Hubble. Daarnaast hetzelfde gebied, maar dan gefotografeerd door James Webb.

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. Dat 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 door stofwolken heen kijken dan de twee nabij-infrarode instrumenten, 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.

JWST orbit

Om de telescoop zo goed op nabij-infrarood en infrarood te kunnen richten, was een baan om de aarde geen optie. Voor Hubble, die zich richt op golflengten van het zichtbare deel van het spectrum, is dat niet zo'n groot probleem, maar de thermische straling van de aarde en de maan zouden funest zijn voor de infraroodwaarnemingen van James Webb. Bovendien gaat Hubble door zijn baan om de aarde elke 90 minuten in en uit de schaduw van de aarde, dus 24 uur per dag observaties doen zou onmogelijk zijn geweest. Het was dus zoeken naar een plek verder van de aarde vandaan. De keuze viel op Lagrangepunt L2, waar de telescoop in een kleine baan omheen cirkelt. Hier heeft de telescoop geen last van thermische straling van hemellichamen in de nabijheid.

Cartwheel Galaxy — Composietfoto van het Karrenwielstelsel op 500 miljoen lichtjaar van de aarde.

Daarnaast ligt L2 op de lijn van aarde, maan en zon, wat maakt dat een ruimtevaartuig op die positie precies meegaat met de jaarlijkse baan van de aarde om de zon en zich altijd op hetzelfde punt en dezelfde afstand vanaf de aarde bevindt. Dat is belangrijk om radiocommunicatie mogelijk te houden, maar ook handig voor het zonneschild. Omdat de zon en de aarde vanuit James Webb gezien steeds op hetzelfde punt aan de hemel staan, kan het zonneschild ook steeds in dezelfde richting worden gepositioneerd.

De weg naar L2 is voorspoedig verlopen, mede door het accurate 'afzetten' van de telescoop door de Ariane 5-raket. Daardoor hoefde James Webb relatief weinig brandstof te gebruiken voor correctieburns en is er waarschijnlijk genoeg brandstof over voor een operationele levensduur van meer dan twintig jaar, terwijl op voorhand rekening werd gehouden met een nominale tijd van vijf jaar die misschien verdubbeld kon worden.

De status van de telescoop, waaronder de temperaturen van de verschillende instrumenten, was en is nog altijd in real time te bekijken via een tracker. Tijdens de reis naar L2 was al te zien dat de temperaturen steeds verder daalden. Momenteel is de gemiddelde temperatuur aan de zonkant van het schild 50 graden Celsius. Aan de andere kant, waar de spiegels en instrumenten zich bevinden, is het ongeveer -235 graden Celsius en door de actieve koeling is het Mid-Infrared Instrument zelfs nog kouder: -266 graden Celsius. Dit enorme temperatuurverschil aan weerszijden van het schild is cruciaal. Infrarood is in feite hittestraling. Hitte van andere bronnen, zoals hemellichamen, levert al snel te veel achtergrondruis op. Zonder dit schild zouden James Webb en zijn instrumenten veel te warm worden en zelf hitte gaan uitstralen. Dan zou het onmogelijk worden om heel zwakke infraroodsignalen van enorm verre objecten waar te nemen. De extreme kou maakt ook nog eens dat er minder ruis ontstaat als de detectors in de instrumenten het opgevangen licht omzetten in elektrische signalen.

Een afbeelding van het cluster Smacs 0723, gemaakt door Hubble (links). Daarnaast is Webb's First Deep Field zichtbaar. Deze versie van James Webb 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. Hubble deed zo'n tien dagen over de opname; Webb's First Deep Field had slechts 12,5 uur nodig.

Dankzij deze detectors zijn we al getrakteerd op een groot aantal afbeeldingen van verre objecten. De foto met de naam Webb's First Deep Field toont aan hoeveel beter James Webb ten opzichte van Hubble is, en dat er duidelijk meer te zien is.

Het zijn niet alleen maar mooie plaatjes die James Webb kan maken. In Webb's First Deep Field is bijvoorbeeld een sterrenstelsel te zien dat nergens te vinden is op de vergelijkbare Hubble-afbeeldingen van cluster Smacs 0723. Dat komt doordat het sterrenstelsel zover weg staat en daarmee dermate roodverschoven is dat Hubble het niet meer kan zien. James Webb lukt dat wel. Het licht van dit specifieke stelsel werd 13,1 miljard jaar geleden verstuurd, 500 miljoen jaar na de oerknal. Met het NIRCam-instrument is te zien dat naast waterstof en helium, elementen die tijdens de oerknal zijn gevormd, ook al zuurstof en neon aanwezig waren.

James Webb wordt echter niet alleen gebruikt om heel ver terug in de tijd te kijken. De telescoop is bijvoorbeeld ook gericht op Jupiter. Voor de getoonde composietfoto, gemaakt met het NIRCam-instrument, zijn drie infraroodfilters ingezet, waarbij het licht is omgezet in zichtbaar licht, zodat het onderscheid ook voor ons is te zien. Hier zijn meteen al zaken uit te leren, zoals over de zichtbare aurora's; die zitten hoger in de atmosfeer dan werd gedacht. Deze afbeelding zegt meteen iets over de temperatuurverdeling in de hoge atmosfeer.

Problemen?

Te veel stroom

MIRI wiel — Een van de twee *grating wheel mechanisms*. Foto: Paul Eccleston

MIRI heeft vier verschillende observatiemodi en het team van Navarro was onder meer verantwoordelijk voor het ontwerpen van de Medium Resolution Spectroscopy-modus van dit instrument. Ook heeft zijn team het optische ontwerp en de gratings gemaakt. Dat zijn tralies die licht uiteenrafelen in alle kleuren. Die gratings zitten op een mechanisme, in feite een gemotoriseerd wiel, dat kan draaien. Er zijn twee van deze rotatiemechanismen in MIRI, afkomstig van een buitenlandse consortiumpartner. Hierbij was er volgens Navarro een 'hickup'. Men zag iets vreemds; een van de twee rotatiemechanismen gebruikte meer stroom dan het andere. Dat kon een voorteken zijn dat er een kapot zou gaan. Daarop is meteen alles stopgezet en mocht deze MRS-modus niet meer worden gebruikt.

"Op 12 juli is James Webb overgedragen aan alle wetenschappers en op 24 augustus is nota bene ons stukje, waar wij aan hebben bijgedragen, stopgezet. Daar zagen ze iets vreemds en toen is meteen de 'mode suspended' ingesteld. Dus alles werkte verder, maar niet meer deze MRS-modus. Ze hebben toen twee maanden lang alle data die er maar was van de materialen, de leveranciers en alle testdata weer tevoorschijn getoverd en onderzoek gedaan naar de oorzaak. Normaal gesproken zoek je, als je aan het testen bent, bewijzen waarom het goed zou zijn. In dit geval gingen ze echter op zoek in de ruwe data om te bewijzen dat ze al of niet eerder zoiets raars hadden gezien. Dit ging heel rigoureus. We weten welk schroefje vijftien jaar geleden is aangedraaid, met hoeveel kracht, welke persoon erbij was en wie de handtekening heeft gezet ter verificatie. Dat komt op dit soort momenten van pas. Uiteindelijk is besloten om de elektronische aansturing iets anders te doen. In plaats van het wiel één richting op te draaien, wordt er nu heen en weer gedraaid. Sinds 2 november is alles weer operationeel."

Temperatuur omlaagbrengen

Een veel minder zorgwekkend gebleken hickup was zichtbaar bij het omlaagbrengen van de temperatuur van de verschillende instrumenten. Zodra het zonneschild was uitgeklapt, koelde de telescoop af tot zo'n 40 Kelvin, of -233 graden Celsius. Gedurende ongeveer een maand zijn de instrumenten juist warm gehouden om alle waterdamp kwijt te raken. Na een maand zijn deze heaters uitgezet en schoot de temperatuur van de meeste instrumenten omlaag tot zo'n 40 Kelvin, zoals is te zien in onderstaande afbeelding.

Alleen de temperatuurdaling van MIRI bleef achter. Dat was volgens plan, omdat dit instrument extra thermisch geïsoleerd is. MIRI heeft als enige instrument ook nog eens actieve koeling aan boord, in feite een extra cryocooler, omdat dit instrument kouder moet zijn dan 7 Kelvin voordat het aangezet kan worden. Deze actieve koeling werkt met vijf trappen en is pas na 90 dagen aangezet, wat zichtbaar is aan de flink dalende temperatuur vanaf de rode stip. Iets na 100 dagen is er echter een hickup te zien. "Die had ik niet verwacht", zegt Navarro. "Ik zat te balen hier: het zal toch niet waar zijn? We hebben jaren aan dit project gewerkt en nu zou het niet koud genoeg worden om aangezet te worden, maar na het aanzetten van de vijfde koeltrap is dat helemaal goed gekomen."

De cryocooler is hier zichtbaar na het voltooien van een testfase. Rechts is de Cryocooler Compressor Assembly, het primaire onderdeel van de cryocooler dat het heliumgas samenperst en voorkoelt, waarna het wordt rondgepompt.

Meteorietinslag

Verreweg het belangrijkste probleem dat daadwerkelijk onherstelbare effecten teweeg heeft gebracht, is een micrometeorietinslag die in mei plaatsvond. Een van de achttien spiegelsegmenten, die geheel onbeschermd zijn, werd geraakt. We hebben het hier grofweg over deeltjes ter grootte van een zandkorrel, maar door de snelheden van tientallen kilometers per seconde hebben deze kleine deeltjes een energie die door Navarro wordt omschreven als: 'alsof je door een stadsbus wordt aangereden'. Er werd op voorhand al rekening gehouden met inslagen van dit soort deeltjes, die dwars door het grote zonneschild gaan. Dat is onvermijdelijk. Het creëert kleine gaatjes, waardoor de werking van het schild gaandeweg minder wordt en ook de hele telescoop minder goed zal functioneren.

Met dit scenario van een op termijn steeds meer 'geperforeerd' zonneschild wordt rekening gehouden, maar dat er al zo snel een flinke impact zou plaatsvinden bij de spiegels, was niet helemaal verwacht. Het betrof dit keer een relatief groot deeltje. Inslagen van dit soort grotere deeltjes zouden eigenlijk maar één keer in de vijf of tien jaar moeten voorkomen, maar het gebeurde al na een paar maanden.

"Dat was niet fijn", zegt Navarro. "Door die impact heeft het spiegelsegment een tilt gekregen en is een kratertje geslagen met een vervorming in het gebied eromheen. De krater is dermate klein dat we die niet direct kunnen zien. De hoeveelheid licht die we opvangen, is niet veranderd, maar de vorm is wel degelijk veranderd. Na correctie met de motoren aan de achterkant van het segment is dit teruggebracht tot 150nm. Op de hele spiegel heeft dit een bijdrage van +9nm op een totale afwijking van 80nm. De inslag heeft effect, want het is minder perfect dan vóór de inslag, maar de andere spiegelsegmenten presteren beter dan gehoopt, dus het valt mee. Zelfs met de prestaties van dit getroffen segment is de telescoop binnen specificatie, ook omdat het heel stabiel blijft en niet verandert in de tijd. Maar bij tien van dit soort inslagen zou de telescoop buiten specificatie van 150nm komen en worden beelden toch echt onscherper. James Webb vliegt met een snelheid van zo'n 30km per seconde door ons zonnestelsel. Om de impact van toekomstige inslagen te verkleinen, kijkt de telescoop nu nog maar zelden in de vliegrichting."

De vervorming van dit spiegelsegment zal vooral effect hebben voor de hoogcontrastmetingen. Het gaat er dan om hoe groot het contrast is dat je kunt krijgen tussen de sterren en planeten en hoe groot een planeet moet zijn voordat je hem kunt waarnemen. Bij het maken van een normale foto merk je weinig van de vervorming, maar bij hoogcontrastmetingen is dat volgens Navarro anders. "Dan trek je als het ware afbeeldingen van elkaar af. Er wordt dan bijvoorbeeld een foto gemaakt van een vergelijkbare ster zonder planeet. Die twee trek je van elkaar af en als er dan een verschil tussen zit, wordt dat opgeblazen. Op dit moment kunnen we planeten waarnemen die tienduizend keer zwakker zijn dan hun moederster."