Tο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το σπουδαιότερο ίσως διαστημικό τηλεσκόπιο της επόμενης δεκαετίας, εκτοξεύθηκε στις 25 Δεκεμβρίου του 2021. Έχοντας υπερβεί κατά πολύ, τόσο τον αρχικό του προϋπολογισμό, όσο και την αρχικά προβλεπόμενη ημερομηνία εκτόξευσής του, υπήρξαν σκέψεις ακόμη και για την ακύρωση του όλου προγράμματος. Ευτυχώς για την αστρονομική έρευνα, αυτό δεν συνέβη, και έναν μήνα αργότερα, στις 24 Ιανουαρίου, το James Webb εισήλθε σε τροχιά γύρω από το επονομαζόμενο σημείο Lagrange-2, περίπου 1,5 εκατ. km μακριά από την Γη.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τις διαστημικές υπηρεσίες των ΗΠΑ, της Ευρώπης και του Καναδά, και θα «βλέπει» στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με τα δεδομένα που θα συλλέξει θα βοηθήσει τους αστρονόμους να διερευνήσουν σχεδόν κάθε «εποχή» της εξέλιξης του Σύμπαντος, από τις πρώτες φωτεινές δομές που σχηματίστηκαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη, μέχρι τον σχηματισμό πλανητικών συστημάτων και τον εντοπισμό εξωπλανητών, ευνοϊκών για την εμφάνιση της ζωής.

Κάθε τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος «ανοίγει» και ένα διαφορετικό «παράθυρο» μελέτης για το Σύμπαν. Γιατί, όμως, αποφασίστηκε να είναι το τηλεσκόπιο αυτό «ευαίσθητο» στα υπέρυθρα μήκη κύματος; Κατ’ αρχάς, η καταγραφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε αυτά τα μήκη κύματος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μελέτη αντικειμένων, τα οποία είναι πολύ ψυχρά και που γι’ αυτόν τον λόγο δεν εκπέμπουν ανιχνεύσιμη ακτινοβολία στο ορατό και σε χαμηλότερα μήκη κύματος. Εκτός αυτού, πολλά απ’ τα ουράνια σώματα του Σύμπαντος βρίσκονται βαθιά μέσα σε νέφη αερίων και σκόνης. Για παράδειγμα, στα πρώτα στάδια του σχηματισμού τους, όλα τα άστρα και τα πλανητικά συστήματα περιβάλλονται από τα νέφη αερίων και σκόνης μέσα στα οποία γεννήθηκαν. Επειδή, όμως, τα σωματίδια σκόνης απορροφούν και σκεδάζουν το ορατό φως, είναι πολύ δύσκολο να μελετήσει κάποιος με οπτικά τηλεσκόπια αυτά τα πρώτα στάδια της εξέλιξής τους.

Επιπλέον, καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους, το φως τους «ξεχειλώνει» προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Αυτή, όμως, η μετατόπιση προς το ερυθρό της ακτινοβολίας ενός μακρινού γαλαξία, ο οποίος ακτινοβολεί κυρίως στο ορατό και στο υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, τον κάνει να «φαίνεται» υπέρυθρος, που σημαίνει ότι η παρατήρηση των πιο απομακρυσμένων γαλαξιών απαιτεί κι αυτή ένα υπέρυθρο τηλεσκόπιο.

Με δυο λόγια, λοιπόν, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα επιτρέψει στους αστρονόμους να διεισδύσουν σε περιοχές, οι οποίες είναι αδιαφανείς στα οπτικά τηλεσκόπια, όπως είναι τα γεμάτα σκόνη και αέρια αστρικά μαιευτήρια και τα νεογέννητα πλανητικά συστήματα. Παράλληλα, όμως, θα συλλέξει δεδομένα για τους πιο μακρινούς γαλαξίες του Σύμπαντος, συμβάλλοντας καθοριστικά στη διερεύνηση των μεγάλων κοσμολογικών ερωτημάτων, που παραμένουν αναπάντητα. Με την διεισδυτική του ματιά, θα μας ταξιδέψει ακόμη πιο μακριά στον χώρο και ακόμη πιο πίσω στον χρόνο, συγκριτικά με το γερασμένο πια Hubble, βοηθώντας τους αστρονόμους να διευρύνουν σημαντικά τις γνώσεις τους για την δημιουργία και τα πρώτα στάδια εξέλιξης των πρώτων άστρων και των πρώτων γαλαξιών του Σύμπαντος.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα ανιχνεύει, όπως είπαμε, την υπέρυθρη ακτινοβολία που προέρχεται από πολύ αμυδρά και απομακρυσμένα αντικείμενα. Για να μπορεί, ωστόσο, να ανιχνεύει την ασθενέστατη αυτή θερμική αναλαμπή, θα πρέπει να διατηρείται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Προκειμένου, λοιπόν, το κύριο κάτοπτρο, αλλά και τα υπόλοιπα επιστημονικά του όργανα, να προστατεύονται αποτελεσματικά από την ακτινοβολία και την θερμότητα του Ήλιου, της Γης και της Σελήνης, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα είναι εξοπλισμένο με μία ασπίδα. Επιπλέον, βέβαια, η ασπίδα αυτή θα προστατεύει το κάτοπτρο και από την θερμική ακτινοβολία που θα εκπέμπει το κύριο σώμα του τηλεσκοπίου, στο οποίο περιλαμβάνονται οι ηλιακοί συλλέκτες, η κεραία επικοινωνιών, ο κεντρικός υπολογιστής και τo σύστημα προώθησης και πλοήγησης. Εξαιτίας, όμως, του μεγάλου μεγέθους της, που είναι συγκρίσιμο με την επιφάνεια που καταλαμβάνει ένα γήπεδο τένις, η ασπίδα του τηλεσκοπίου παρέμεινε διπλωμένη κατά την εκτόξευση. Η πλήρης ανάπτυξη της ασπίδας ολοκληρώθηκε 10 μέρες μετά την εκτόξευση, ενώ με την βοήθειά της η θερμοκρασία του τηλεσκοπίου θα μειωθεί σταδιακά στους -223 βαθμούς Κελσίου.

Προκειμένου, όμως, να λειτουργεί αποτελεσματικά, θα πρέπει ο Ήλιος, η Γη και η Σελήνη να βρίσκονται διαρκώς προς την ίδια πλευρά του τηλεσκοπίου, ώστε το κύριο κάτοπτρο και τα άλλα επιστημονικά του όργανα να παραμένουν διαρκώς στην σκιά της. Για τον λόγο αυτόν, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb δεν περιφέρεται γύρω από τον πλανήτη μας, όπως το Hubble, αλλά τοποθετήθηκε σε τροχιά γύρω από το επονομαζόμενο σημείο Lagrange–2, 1,5 εκατ. km μακριά από τη Γη, και αντιδιαμετρικά από τον Ήλιο. Το μειονέκτημα, βέβαια, είναι ότι, σε αντίθεση με το Hubble που περιφέρεται γύρω από την Γη σε υψόμετρο μόλις 547 km, η υλοποίηση επανδρωμένων αποστολών για την επιδιόρθωση πιθανών βλαβών καθίσταται αυτόματα απαγορευτική σε τόσο μεγάλη απόσταση από τον πλανήτη μας.

Η σπουδαιότερη ίσως καινοτομία που περιλαμβάνει το νέο αυτό τηλεσκόπιο αφορά στο κύριο κάτοπτρο, το οποίο έχει συναρμολογηθεί από 18 εξάγωνα τμήματα, κατασκευασμένα από βηρύλλιο. Κάθε επιμέρους τμήμα του κύριου κατόπτρου ρυθμίζεται με την βοήθεια 6 ειδικών αυτοματοποιημένων μηχανισμών, τοποθετημένων στο πίσω μέρος του, οι οποίοι λειτουργούν ως μικροκινητήρες-έμβολα. Ένας έβδομος «μικροκινητήρας» στο κέντρο του κάθε εξάγωνου τμήματος χρησιμοποιείται για την ρύθμιση της καμπυλότητάς του. Με διάμετρο 6,5 m, δηλαδή σχεδόν τριπλάσια από αυτήν του Hubble, το κύριο κάτοπτρο του τηλεσκοπίου παρέμεινε κι αυτό διπλωμένο κατά την εκτόξευση, ενώ ξεδιπλώθηκε πλήρως περίπου 14 ημέρες μετά την εκτόξευση. Το επόμενο βήμα προς την πλήρη ανάπτυξη του τηλεσκοπίου υλοποιήθηκε στη διάρκεια των επόμενων 10-12 περίπου ημερών, όταν καθένα από τα 18 εξάγωνα τμήματα του κύριου κατόπτρου «ανυψώθηκαν» με την βοήθεια των 6 μικροκινητήρων τους κατά 12,5 χιλιοστά από την θέση που είχαν κατά την εκτόξευση. Το επόμενο βήμα για την έναρξη της λειτουργίας του τηλεσκοπίου ήταν η πολύπλοκη διαδικασία της «ευθυγράμμισης» των οπτικών του με ακρίβεια νανομέτρου, που διήρκεσε περίπου 3 μήνες.

Με την βοήθεια του νέου αυτού τηλεσκοπίου, οι αστρονόμοι θα ανιχνεύσουν τα πρώτα άστρα και τους πρώτους μικρούς γαλαξίες του Σύμπαντος και θα διερευνήσουν τον τρόπο με τον οποίο η ακτινοβολία των πρώτων αυτών δομών «βοήθησε» το νεαρό τότε Σύμπαν να εξέλθει από την Σκοτεινή Εποχή του. Η περίοδος αυτή στην εξέλιξη του Σύμπαντος διαρκεί κατά προσέγγιση από την χρονική στιγμή που απελευθερώθηκε η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, δηλαδή σχεδόν 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, και για τα επόμενα 200-300 εκατ. χρόνια, ενώ οφείλει το όνομά της στο γεγονός ότι στην διάρκειά της δεν είχαν ακόμη σχηματιστεί διακριτές φωτεινές πηγές.

Η αρχή του τέλους για την Σκοτεινή Εποχή σηματοδοτείται από την εμφάνιση των πρωταρχικών άστρων, η υπεριώδης ακτινοβολία των οποίων ιονίζει το ουδέτερο υδρογόνο που τα περιβάλλει, διασπώντας το εκ νέου σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Με τον σχηματισμό, μάλιστα, των πρώτων μικρών γαλαξιών και των πρώτων κβάζαρ, η διαδικασία αυτή επιταχύνεται, ώσπου τελικά, περίπου 900 εκατ. χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύνολο σχεδόν της μεσογαλαξιακής ύλης ιονίζεται ξανά και αυτή η επονομαζόμενη Εποχή του Επαναϊονισμού φτάνει στο τέλος της.

Ακόμη και σήμερα, όμως, εξακολουθούμε να αγνοούμε το πότε ακριβώς σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα, πότε οι πρώτοι γαλαξίες, πότε ξεκίνησε η Εποχή του Επαναϊονισμού και πότε ολοκληρώθηκε. Πραγματικά, τόσο η Εποχή του Επαναϊονισμού, όσο και η Σκοτεινή Εποχή που προηγήθηκε, σχετίζονται καίρια με πολλά και αναπάντητα ακόμη κοσμολογικά ερωτήματα που αφορούν στον σχηματισμό και στην εξέλιξη της δομής μέσα στο Σύμπαν. Ορισμένα, τουλάχιστον, από τα ερωτήματα αυτά θα προσπαθήσουν να απαντήσουν οι αστρονόμοι με την βοήθεια του James Webb.

Επιπλέον, όμως, το νέο τηλεσκόπιο θα συμβάλει καθοριστικά και στην διερεύνηση των φυσικών μηχανισμών που καθορίζουν την γένεση και τα πρώτα στάδια της εξέλιξης των άστρων και των πλανητικών συστημάτων, αφού μόνο με την βοήθεια ενός υπέρυθρου τηλεσκοπίου μπορούμε να «διεισδύσουμε» στα νέφη αερίων και σκόνης που τα περιβάλλουν. Επιπλέον, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα συμβάλει στην μελέτη των «αποτυχημένων» άστρων, που ονομάζονται καφέ νάνοι, τα οποία δεν συσσώρευσαν πάνω τους τα ελάχιστα υλικά που απαιτούνται για την έναρξη των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό τους. Γι’ αυτό και εκπέμπουν κυρίως υπέρυθρη ακτινοβολία, που μόνο τηλεσκόπια όπως το James Webb μπορούν να ανιχνεύσουν.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, τέλος, θα συμβάλει στην προσπάθεια των αστρονόμων να εντοπιστούν εξωπλανήτες, οι οποίοι περιφέρονται στην κατοικήσιμη ζώνη του άστρου τους, όπου οι συνθήκες είναι τέτοιες, ώστε να επιτρέπουν την ύπαρξη νερού σε υγρή μορφή και, ίσως, ακόμα και την εμφάνιση ζωής. 

Πηγή: Home (webbtelescope.org)

Φωτογραφία: Καλλιτεχνική αναπαράσταση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb

Στο ακόλουθο βίντεο μπορείτε να δείτε σε animation την σταδιακή ανάπτυξη του τηλεσκοπίου, από την εκτόξευσή του μέχρι την τοποθέτησή του σε τροχιά γύρω από το σημείο L2, 1,5 εκατ. km μακριά.

Webb Telescope Deployment Sequence 

Μπορείτε να αντλήσετε περισσότερες πληροφορίες για την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, τον κοσμικό Μεσαίωνα και την Εποχή Επαναϊονισμού στο ακόλουθο άρθρο:

Ο Κοσμικός Μεσαίωνας και η Εποχή του Επαναϊονισμού (eef.edu.gr) 

π