Jde o nejdokonalejší astronomickou observatoř, kterou kdy lidstvo vyslalo do vesmíru, a o nejdražší vědeckou aparaturu, kterou kdy NASA nechala zhotovit. Přišla na 10 miliard dolarů! Obdobnou sumu si vyžádal třeba vývoj raketoplánu Space Shuttle. Umožní pohled do časů tak vzdálených, že to míjí lidskou představivost — do časů vzniku vesmíru, snad až do momentu tzv. velkého třesku. Nový zázrak pozemské techniky, Vesmírný dalekohled Jamese Webba, je v zásadě velkou astronomickou vesmírnou observatoří. Ta, jak věří její konstruktéři, a pochopitelně především astronomové, podstatně rozšíří už i tak velmi zajímavé a zásadní objevy Hubbleova vesmírného dalekohledu (HST), který od roku 1990 obíhá Zemi ve výšce cca 569—600 km a postupně dosluhuje. Webbův teleskop však bude pracovat v kosmickém prostoru ve vzdálenosti 1,5 milionu km od matičky Země, tedy čtyřikrát dále, než je Měsíc, v tzv. libračním centru (bodu) L2 soustavy Země — Slunce, tedy tam, kde se gravitační síly Země a Slunce vyrovnávají. Díky tomuto umístnění si dalekohled dokáže zachovat stabilní oběžnou dráhu (de facto bude kroužit okolo středobodu centra L2) a zároveň se bude držet ve stínu naší planety vůči slunečnímu záření. Aparatury dalekohledu tak mohou přijímat záření z hlubin vesmíru bez jakéhokoliv rušení zemskou atmosférou či sluneční aktivitou.
Pěkně drahá „hračka“ JWST se na cestu do kosmu vypravil už 25. prosince 2021 z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně s pomocí nejmohutnější evropské rakety Ariane 5. Jeho cesta do místa určení ovšem trvala celý měsíc, do 24. ledna. Potrvá však ještě několik měsíců, než budou všechny aparatury astronomické laboratoře zprovozněny a přesně zkalibrovány. Prvních skutečně pracovních snímků, zhotovených na rozdíl od HST zásadně v infračerveném spektru, se tedy dočkáme až někdy v létě. Očekávání vědecké obce jsou veliká. Webbův teleskop je totiž navržen tak, aby umožnil mnohem lepší rozlišení v infračerveném spektru než jeho předchůdce a má zobrazovat objekty s až 100× slabším vyzařováním, než dokázal detekovat HST. Jeho aparatury umožní širokou škálu výzkumů napříč obory astronomie a kosmologie, například pozorování až do tzv. rudého posuvu některých nejstarších a nejvzdálenějších objektů a událostí ve vesmíru (včetně prvních hvězd a vzniku prvních galaxií) či detailní charakterizaci atmosféry potenciálně obyvatelných exoplanet. John Mather, manažer vědeckých projektů dalekohledu (od roku 1995), to vyjádřil až téměř básnicky, když prohlásil: „Webbův teleskop rozbije truhlu s pokladem nádherné infračervené oblohy, neviditelné pro lidské oči. Se svým skvělým pozlaceným 6,6m primárním zrcadlem a sadou kamer a spektrometrů dokáže registrovat světlo od středu viditelného spektra až po infračervené záření. Pokud by se ve vzdálenosti Měsíce vznášel ve vesmíru čmelák, Webbův teleskop by viděl sluneční světlo, které odráží, i teplo, které vyzařuje...“ „Objevíme neuvěřitelné věci, které jsme si ani neuměli představit,“ prohlásil po vydařeném startu Bill Nelson, šéf NASA (NASA Administrator), a upozornil: „Stále existuje nespočet věcí, které musí fungovat a musí fungovat dokonale... Víme, že za očekávanou velkou odměnou stojí i velká rizika.“ Má samozřejmě pravdu, už jen představa, že by Ariane s tak drahocenným nákladem havarovala, či že by chybná práce korekčních motorů poslala teleskop jinam než do L2, působila vědcům, technikům i vedení NASA bezesné noci. Bezporuchovost JWST, aparatury za 10 miliard dolarů, je totiž bezpodmínečnou nutností, na které závisí, zda bude teleskop bezchybně pracovat minimálně plánovaných 10, či lépe minimálně očekávaných 20 let. Nepředpokládá se totiž, že by se do L2 ve vzdálenosti 1,5 milionu km vydala nějaká opravárenská četa, jako se to dařilo v případě Hubbleova dalekohledu, který byl na zemské orbitě ve výšce cca 560 km v dosahu raketoplánů. Už samo vypuštění a zatím bezporuchový let JWST je ohromným úspěchem vědy a techniky. Spoustu rizikových situací s sebou neslo také postupné „rozbalování“ složité aparatury ze startovní „kukly“: od rozevření panelů fotovoltaických článků pouhých 30 minut po startu přes rozvinutí pětivrstevné protisluneční clony až po postupné sestavení tzv. primárního zrcadla o celkovém průměru 6,6 m. Ještě několik týdnů bude trvat, než se aparatury ochladí na provozní teplotu. Pak bude přibližně 5 měsíců podstupovat závěrečné testovací a kalibrační procedury, včetně potenciálně prvních snímků. Teprve poté zahájí svůj plánovaný výzkumný program. „Čekal jsem 23 let na okamžik, kdy Webbův teleskop odstartuje,“ konstatoval profesor astronomie Washingtonské univerzity Eric Agol, který se zabývá modelováním extrasolárních planetárních systémů a výzkumem kompaktních objektů, jako jsou dvojhvězdy a tzv. gravitační čočky. Práce na Webbově teleskopu totiž po létech úvah započaly v roce 1996. Z tohoto hlediska je nejen pro něj budoucích pár měsíců čekání jen okamžikem.
Dva pohledy do minulosti
I. pohled pozemský Práce na projektu JWST vlastně začala z iniciativy tehdejšího ředitele Space Telescope Science Institute (STScI) Riccarda Giacconiho dokonce už před více než 30 lety. Tehdy Giacconi přišel s výzvou k NASA, aby se uvažovalo o další velké astronomické misi, následující kosmický optický dalekohled. První koncept nového teleskopu pracujícího v infračerveném pásmu záření, pracovně nazývaný Next-Generation Space Telescope (NGST), byl pak STScI prezentován v září 1989, tedy ještě před startem snad všem známého optického Hubbleova dalekohledu, který vynesl raketoplán Discovery v dubnu 1990. Parametry NGST se do začátku realizace v roce 1996 několikráte měnily. Původní koncept 8m kosmického dalekohledu nové generace se v dalších letech zaměřil na podchlazený infračervený teleskop se zrcadlem o průměru 6,6 m. Mimochodem, HST byl součástí série tzv. Velkých observatoří (Great Observatories), programu výzkumu vesmíru NASA, inspirovaného v polovině 80. let Charlesem Pellerinem, ředitelem oddělení astrofyziky NASA a jeho kolegou Martinem Harwittem. Do této řady patří vesmírné observatoře, jako je Compton Gamma Ray Observatory, rentgenový teleskop Chandra X-ray Observatory a Spitzer Space Telescope (SST). Posledně uvedený, pracovně původně nazývaný Space Infrared Telescope Facility (SIRTF), je pro nás zajímavý tím, že (chlazen kapalným heliem) prováděl od srpna 2003 do května 2009 průzkum vesmíru v infračerveném oboru spektra tak, jako to má za úkol mnohem vyspělejší Webbův teleskop. Ten už ale do série Velkých observatoří nespadá. Šel vlastními cestami... Každopádně je JWST zatím nejsložitější, technicky nejnáročnější kosmický vědecký objekt vytvořený lidskou rukou. Hoden pozornosti je fakt, že když vývoj Next-Generation Space Telescope po mnoha diskusích a handrkování se o peníze s Kongresem začal, věřili idealisté, že bude stát pouhých 500 milionů dolarů a do vesmíru se dostane už v roce 2007. Technická složitost úkolu, do jehož řešení se zapojila i Evropská kosmická agentura (ESA) a kanadská CSA, přinášela k velkému zklamání profesionálních i amatérských astronomů zpoždění za zpožděním. Po druhé revizi projektu v roce 2010 (rozpočet se navýšil na 6,5 miliardy USD) měl být teleskop vypuštěn v roce 2014, nicméně start byl znovu odložen (na první měsíce roku 2018). Kvůli technickému stavu teleskopu pak došlo k dalšímu odkladu na začátek roku 2020 a následovaly i další odklady, na které pak 16. července 2020 navázala zpráva, že kvůli dopadům pandemie covidu-19 a stálým technickým problémům NASA start teleskopu posouvá na 31. října 2021. Později byl start přeplánován na 24. prosince, ale kvůli špatnému počasí JWST odstartoval až 25. prosince loňského roku.
II. pohled kosmický NASA, ESA a CSA se spojily, aby z JWST udělaly technologický zázrak. Tento dalekohled za 10 miliard dolarů je vybaven sadou kryogenních vědeckých přístrojů chlazených na přibližně –390 °F (–234 °C). Jedná se o největší dalekohled své doby, do něhož vědci vkládají velké naděje. Vzhledem k tomu, že bude na rozdíl od Hubbleova zkoumat vesmír v infračerveném spektru, má výrazně lepší citlivost. To umožní Webbovu teleskopu nahlédnout do propastí minulosti, až do časů tzv. velkého třesku. Vzhledem k tomu, že se od té doby vesmír rozpíná a světelnému záření trvá miliardy let, než dosáhne naší Sluneční soustavy, měl by vidět galaxie, které se zformovaly v raném vesmíru, či nahlédnout do prachových mračen, kde se formují hvězdy a planetární systémy. JWST také rozšíří možnosti pozorování vyhledávaných exoplanet, což vědcům umožní zahlédnout nejen větší planety velikosti Jupiteru, ale také zkoumat klima a obyvatelnost na menších, tzv. pozemských skalnatých světech obíhajících kolem malých, chladných a často aktivních červených trpaslíků. Kromě rozšiřujícího se výzkumu exoplanet umožní JWST astronomům pozorovat některé z nejranějších hvězd a galaxií, o kterých se vědci domnívají, že vznikly jen sto milionů let po velkém třesku. Jak se vesmír rozpíná, jejich světlo se stává červenějším, neboť se jeho vlnová délka protahuje (jev známý jako kosmologický rudý posuv). Z tohoto důvodu se světlo vyzařované z nejvzdálenějších objektů vzdálených miliard světelných let promítá do infračervené části spektra. Toto primordiální světlo dorazí do zrcadla JWST — navrženého tak, aby zachytilo tyto delší vlnové délky — a bude odesláno do infračervených přístrojů na palubě dalekohledu k analýze. Očekává se, že infračervené schopnosti JWST umožní astronomům nahlédnout zpět v čase až k prvním galaxiím vznikajícím jen několik set milionů let po velkém třesku. Pozorování v infračerveném spektru umožňují rovněž studovat objekty a oblasti vesmíru, které by ve viditelném spektru byly zakryty plynem a prachem, například molekulární mračna, v nichž se rodí hvězdy, okolní hvězdné disky, z nichž vznikají planety, a jádra aktivních galaxií. Studium těchto raných galaxií nám poskytne vodítka k pochopení toho, jaký byl náš vesmír ve svém pravěku. Aby toho bylo možné dosáhnout, má Webbův teleskop mnohem větší primární zrcadlo než Hubbleův, což mu umožní zachytit mnohem více záření. Je totiž složeno z 18 hexagonálních (šestiúhelníkových) segmentů vyrobených z pozlaceného berylia, které celkově vytváří 25,37 m2 sběrné plochy, což je 5,5× více ve srovnání s Hubbleovým dalekohledem. Pro maximalizaci přesnosti zaměření na cíl je každý hexapod vybaven vlastním pohonem, který může nastavit orientaci tohoto segmentu v rozmezí 6°. Všech 18 segmentů funguje jako jeden celek o celkovém průměru 6,6 m. Zrcadlo z beryliového kovu, potažené vrstvou zlata o tloušťce 1 000 atomů, je optimalizováno pro práci při extrémně nízkých teplotách: –364 °F (–220 °C). Součástí optiky je také sekundární zrcadlo o průměru 0,74 m. Kromě toho je zde přesné řídicí zrcadlo, které může mnohokrát za sekundu upravovat svou polohu a zajišťovat tak stabilizaci obrazu. Pro pozorování v infračervené části spektra jsou nutné velmi chladné podmínky, které v přístrojové sekci udržuje kryochladič MIRI (mid-infrared instrument). O pasivní chlazení aparatur se stará pětivrstvá sluneční clona, jejíž každá vrstva je tenká jako lidský vlas. Je vyrobena z Kaptonu E, což je komerčně dostupná polyamidová fólie od společnosti DuPont, ovšem s membránami speciálně potaženými hliníkem na obou stranách, a navíc i vrstvou dotovaného křemíku na straně dvou nejteplejších odrazových vrstev směřujících ke Slunci. Ve složeném stavu má plachta rozměry 4,5 × 16,2 m, ale ve vesmíru se rozvinula na 21,2 × 14,2 m.
Vědecké vybavení
Mimo primární zrcadlo a jeho příslušenství má teleskop integrován modul vědeckých přístrojů ISIM (integrated science instrument module). Webbovu teleskopu poskytuje elektřinu, výpočetní výkon, chlazení i stabilitu potřebné pro správnou funkci vědeckých zařízení. V něm jsou umístěny čtyři vědecké přístroje a naváděcí kamera. Infračervená kamera NIRCam (near infrared camera) má spektrální pokrytí od okraje viditelné oblasti (0,6 μm) až po blízkou infračervenou oblast (5 μm). Každý z 10 snímačů má rozlišení 4 miliony pixelů. Kamera se zaměří na detekci světla z blízkých galaxií, raného vzniku hvězd a galaxií a také objektů Kuiperova pásu [oblast Sluneční soustavy rozprostírající se od oběžné dráhy Neptunu až do vzdálenosti přibližně 55 AU od Slunce; jde o podobné seskupení těles jako v hlavním pásu planetek, ovšem asi 20× širší a 20—200× hmotnější — pozn. red.]. Důležitou aparaturou je NIRSpec (near infrared spectrograph). Bude provádět spektroskopii ve stejném rozsahu vlnových délek jako NIRCam. Sestrojila jej Evropská kosmická agentura ve svém výzkumném a technologickém středisku v nizozemském Noordwijku. Spektrograf bude detekovat tzv. „první světlo“ vesmíru, emitované prvními primordiálními hvězdami, které existovaly několik set milionů let po velkém třesku. Špičková technologie ze Slitless Spectrograph společnosti JWST bude také detekovat exoplanety a jejich atmosférické vlastnosti, jako je voda nebo oxid uhličitý. Režim pro více objektů se opírá o složitý mechanismus mikrozávěrky, který umožňuje současné pozorování stovek jednotlivých objektů kdekoli v zorném poli NIRSpecu. Dalším přístrojem je kamera pro střední infračervenou oblast a spektrometr, již zmíněný MIRI. Ten byl vyvinut ve spolupráci NASA a konsorcia evropských zemí. Bude měřit střední až dlouhou infračervenou oblast vlnových délek od 5 do 27 μm. Teplota MIRI nesmí překročit 6 K, tj. −267 °C. Chlazení proto zajišťuje mechanický chladič s plynným heliem, umístěný na teplé straně ochranného štítu. Kromě spektroskopie budou tyto citlivé detektory pozorovat světlo ze vzdálených galaxií a hvězd, aby určily jejich vzdálenost. Kanadská aparatura FGS/NIRISS (fine guidance sensor and near infrared imager and slitless spectrograph) pak slouží ke stabilizaci zorného pole observatoře během vědeckých pozorování. Při pozorování ze vzdálenosti 1,5 milionu km v L2 bude tento systém jemného navádění JWST přesně určovat jeho polohu a určovat, kam namířit zrcadlo a kamery. Jako vědecké a provozní středisko (Science and Operations Center — S&OC) pro JWST byl vybrán Space Telescope Science Institute (STScI) v Baltimoru v Marylandu (USA) na Homewood Univerzity Johnse Hopkinse. STScI bude zodpovědný za vědecký provoz dalekohledu a poskytování získaných dat světové astronomické komunitě, tedy podobně, jako se distribuovala data získaná Hubbleovým teleskopem. Náklady na celou dobu životnosti odhaduje NASA na 9,7 miliardy USD. Z toho 8,8 miliardy USD stál vývoj a výroba teleskopu a 861 milionů je určeno zatím na pětiletý provoz JWST. Použitím Webbova teleskopu a HST v tandemu dostanou astronomové šanci pozorovat vesmír jako nikdy předtím. Až zhruba v červnu začne Webbův kosmický teleskop pracovat naostro, zahájí tak nový věk astronomie. /Stanislav Kužel/Ano, jde o James Webb Space Telescope (JWST).