James Webb-rumteleskopet (JWST) er det meget forventede, længe ventede “næste generation” -teleskop. Planlagt til lancering i 2013 I oktober 2018 er JWST blevet udråbt som efterfølgeren til Hubble-rumteleskopet. Med det håber astronomer at se tilbage i tiden til, da universet kun var 200 millioner år gammelt, og se de første stjerner og galakser. Den førende videnskabsmand, der guider dette projekt, er Dr. John Mather, medmodtager af Nobelprisen i fysik i 2006 for sit arbejde med Cosmic Background Explorer (COBE), som målte den sorte kropsform og anisotropi af den kosmiske mikrobølgebaggrund.
Vi blev forståeligt beæret, da Dr. Mather kontaktede Space Magazine og sagde, at han gerne ville tale med os om status som JWST. ”Jeg regnede med, at det måske var tid til at tale om, hvad vi laver,” sagde han, ”fordi spændende ting begynder at ske.”
Space Magazine: Dr. Mather, i over et årti har vi hørt om det næste generation rumteleskop, der senere officielt blev navngivet James Webb rumteleskop. Kan du fortælle os, hvordan konceptet til dette teleskop begyndte?
John Mather: I 1989, selv før Hubble blev lanceret, blev der afholdt en konference om, hvad det næste rumteleskop skulle være. De drøftede fremtidens store teleskoper og udgav fra forhandlingerne en bog. Men de mente virkelig ikke, at infrarød var fremtidens store bølge. Derefter, i 1993, var der et udvalg, der hedder HST and Beyond. De offentliggjorde en dejlig lille rapport i 1996, der sagde, at der var to vigtige ting at gøre. Den ene var at bygge et infrarødt teleskop, i modsætning til hvad den forrige bog havde sagt, og den anden var at bygge et teleskop for at søge efter jordlignende planeter. På det tidspunkt anerkendte astronomer bare, at det var muligt at søge efter ekstrasolære planeter. Så i oktober 1995 kaldte NASA-hovedkvarteret mig op, gav mig en liste over videnskabsmænd og ingeniører, som jeg kunne kontakte og sagde at skulle begynde at planlægge. Det gjorde vi også, og vi kom straks til en bemærkelsesværdig konvergens af tanker og mening. Vi blev hurtigt enige om et koncept, der opfyldte det videnskabelige samfunds ønsker og kom inden for NASAs ambitioner. Du finder ud af, at det teleskop, vi ønskede at flyve tilbage dengang, meget ligner det, vi skal flyve i 2013.
UT: Kan du give os en opdatering om status for JWST lige nu?
Mather: Flyinstrumentets hardware kommer ind fra hele verden i sommeren 2010. Den fine vejledningsføler kommer fra Canada, halvandet instrumentpakke kommer fra Europa og resten kommer fra USA. Så om 18 måneder begynder instrumentpakken at gå sammen, og så mødes den med teleskopet omkring et år senere. De fire videnskabsinstrumenter er et næsten-infrarødt kamera, et næsten-infrarødt multi-objekt spektrograf, et melleminfrarødt instrument og en indstillelig filterafbildning.
Vi har lige gennemgået kritisk design til instrumentmodulet. Sidste uge havde vi hundreder af mennesker kommet for at se på alt og fortælle os, hvis vi gør det rigtigt. Jeg tror, vi er gået, selvom jeg endnu ikke har set det officielle papirarbejde. Men selv jeg var imponeret.
UT: Spørgsmålet, som mange stiller mig, er, da Hubble har været så vellykket, hvorfor er ikke JWST et optisk teleskop?
Mather: Hvorfor skiftede udvalget fra optisk til infrarød? Det var todelt. Den ene var, at Hubble blev så god, at de kunne se, det ville være svært at slå det, uanset hvor stor du byggede et teleskop. En anden ting der skete var, at folk så, at du kunne bygge store optiske teleskoper på jorden. Keck-teleskopet fungerede rigtig godt, og folk begyndte at tale om adaptiv optik, hvilket betød, at endnu større teleskoper på jorden var umagen værd. Så disse to ting pegede os mod et infrarødt teleskop. Også alle forskere fra JWST sagde, at vi havde brug for infrarød. Fra den lille kapacitet, vi havde på det tidspunkt, var infrarød fascinerende, og fandt, at det fjerneste univers er spændende og er forskudt fra det synlige. Det starter i ultraviolet og bliver til infrarødt på grund af de store afstande fra disse genstande og det enorme røde skift, de har. Så hvis du vil lave ultraviolet astronomi i universets næsten kant, har du brug for et infrarødt teleskop.
UT: Nu hvor det infrarøde Spitzer-rumteleskop er op og kører så godt, har det ændret nogens sind, eller får det forskere til at gå til det næste niveau med infrarød?
Mather: Ja, Spitzer har bevist, at dette faktisk er et fascinerende område. Spitzer er faktisk et lille bittet teleskop efter moderne standarder; den er kun 3 meter bred, 85 cm. Men det har produceret nogle forbløffende overraskelser. De kan se tingene ud til meget, meget høje røde skift, og ingen af disse ting blev forventet. Så det fortæller os, at infrarød er, hvor de vidunderlige opdagelser vil være. Vi ved nu, at vi kan gøre teknologien, så lad os få et bedre teleskop. Videnskaben er måde, måde spændende, og der er så meget derude, der venter på at blive opdaget.
UT: Hvad vil efter din mening adskille JWST fra tidligere rumteleskoper?
Mather: Hvert teleskop siger: ”Jeg er bedre end det før mig,” og vi siger det samme. Selvfølgelig vil dette teleskop se længere tilbage i tiden med sin infrarøde kapacitet og sin enorme åbning; det vil se gennem støvskyer for at se, hvor stjerner der fødes; det vil se ting, der er stuetemperatur, som dig og mig, planeter eller unge stjerner, der bliver født. Alle disse ting kan ses direkte med den infrarøde kapacitet, vi har på dette nye teleskop. Det meste af arbejdet udføres i infrarød, med en vis kapacitet i det synlige interval.
Men vi har bygget et teleskop til generelle formål. Efter lanceringen kan forskere skrive forslag, som de gør for Hubble, til hvad de gerne vil observere, så de kan observere, hvad det hotte emne er på det tidspunkt.
UT: Hvordan har du anvendt det til JWST med din erfaring med COBE og den efterfølgende hædersbevisning?
Mather: Det var ikke så meget æresbeviserne, der påvirkede mit liv, det var det faktum at have været igennem processen fra begyndelsen til slutningen af et meget radikalt designet observatorium, som COBE var, der gav mig nerven til at tænke stort ting. Så da NASA-hovedkvarteret sagde, at de ville have en efterfølger for Hubble, tænkte jeg, at det ville være interessant, og jeg var nerve nok til at sige ja, det vil jeg gerne prøve. COBE var meget ambitiøs for tiden, men lille nok til at jeg kendte ingeniørerne personligt, og jeg kunne tale med dem hver dag om noget. Så jeg troede, at jeg kunne dimittere til et større projekt.
UT: Og nu arbejder du med mennesker fra hele verden?
Mather: Ja, dette er en enorm aftale. Vores videnskabsteam er omkring 19 personer fra Europa, USA og Canada. Ingeniørteamet er over 2.000 mennesker, der er spredt over hele verden. Det er klart, jeg kender ikke dem alle. Jeg arbejder mest tæt sammen med forskerne og snakker med dem om, hvad vi vil udrette, og sørger for, at vi udfører det. Så jeg har en anden rolle nu. Jeg har ikke hands-on ansvar for nogen hardware, men jeg arbejder med de mennesker, der gør det. Vi har adgang til nogle af de allerbedste mennesker i verden på ethvert emne.
UT: Kan du tale om de problemer, dette teleskop har måttet løse, omkostningsoverskridelser og de forsinkelser, det har haft?
Mather: Nummer et, omkostningsoverskridelsen er ikke så stor, som det vises af nogle mennesker, der gerne vil have penge til deres egne projektideer. Oprindeligt var Dan Goldin chef for NASA, da vi startede, og han sagde: "Vi vil have dig til at tænke på en måde at gøre dette observatorium for en halv milliard dollar i 1996 dollars." Vi sagde, vi ville prøve. Men vi indså hurtigt, at det ville være svært at opføre dette. Da vi var klar til at præsentere den for decadalundersøgelsen i 2000, var omkostningerne mere som en milliard dollars. Derefter for tre år siden så vi, at jobbet blev sværere, og vi måtte omplanlægge og rebudget. Hvis du tæller hele NASA-omkostningerne fra begyndelsen i 1995 til slutningen, et sted efter 2019 med inflation og embedsmænd (som vi ikke tæller før), er det nu ca. 4,5 milliarder dollars i faktiske rigtige dollars, ikke 1996 dollars. Så der er omkostningsvækst, men vi har haft fremragende succes, og vi er på vej til at lancere denne vidunderlige maskine, der vil blive brugt af tusinder af astronomer. Og vi behøvede ikke at ændre vores plan eller vores samlede budget på tre år takket være et stabilt lederskab fra NASA HQ og strålende teknisk arbejde fra holdene.
UT: Det er godt at vide. Jeg tror, folk har et generelt koncept om, at JWST har haft en enorm omkostningsoverskridelse.
Mather: Det er ikke noget lille, og vi ønsker, at vi kunne have gjort det bedre. Men det handler om en faktor to vækst, og ikke den faktor fem, der er annonceret af nogle mennesker, der burde vide bedre. Dette teleskop fungerer i lang tid. Kravet er fem år, men vi håber på at køre det i ti. Så vores projekt spænder fra 1995 til måske 2024, hvor driften ville afslutte.
Lad mig give dig en idé om, hvad vi var nødt til at gøre for at blive klar, og hvad vi har holdt op med hele denne tid. Vi udviklede en liste over ti store teknologier, som vi havde brug for. Det sværeste var at udvikle spejle. Det krævede tolv forskellige kontrakter bare for at udvikle konkurrenterne, hvor deres design var gode nok, så det tog ganske mange år. Detektorerne måtte tydeligvis forbedres i forhold til hvad vi har på Spitzer- og Hubble-teleskopene. Så nu har vi større og bedre detektorer, og de er fantastiske. En måling astronomer har er, hvor mange omstrejfede elektroner får du fra detektorerne. Hvis du lukker alt lyset, skal du få nul. Vi har nu detektorer, der afgiver et par omstrejfede elektroner pr. Pixel i timen, hvilket er næsten perfekt. Det ville være godt at være endnu bedre, men dette er fantastisk. Jeg er imponeret.
Vi var nødt til at forbedre køleskabe i rummet. Vi startede med at sige, at vi er nødt til at få et strålingsafkølet teleskop, så det ville være cool nok af sig selv, og det er for det meste sandt. Men det viser sig, at vi stadig har brug for et aktivt køleskab for at holde de længste bølgelængdedetektorer kolde, så vi var nødt til at udvikle det.
Så det er bare nogle af de ting, vi var nødt til at designe, og al teknologiudviklingen blev endelig færdig i 2007 og bestået godkendelseskomitéens godkendelse, der sagde: ”Ja, disse ting er endelig klar til at blive bygget.”
Så det var bare lang tid at komme til 2007, og jeg tror ikke, folk har værdsat, hvad det kræver for at få nye teknologier klar. På den anden side er vi blevet velsignet ved ikke at skulle "tage backup". Vi lægger nok planlægning og kræfter i disse teknologier, som de arbejder nu. Det var en af de ting, vi lærte fra Hubble-projektet, som var, ikke afslutte dit design, før du ved, hvad du skulle bygge.
UT: Hvad med din testproces. Er det temmelig strengt?
Mather: Det er en anden lektion, vi var nødt til at lære af Hubble. Hvis du ikke tester det, fungerer det ikke. Vi har lært at have en meget bestemt og streng proces. De testede nok på Hubble til at de kunne have kendt til spejlfokusproblemerne. Spejlproducenten havde to test, der ikke var enige, og de besluttede at ignorere en af dem i stedet for at spore grunden op, og det viste sig at være tåbeligt og dyrt.
Vi har en generalisering, at hvis noget virkelig betyder noget, skal du gøre det to gange. Vi tester faktisk teleskopet koldt i den store vakuumtank nede ved Johnson Space Center. Så det vil være en fuld-skala ende-til-ende “let-i-ved-begyndelsen, lys-ud-ved-slutningen” -test, noget de ikke kunne gøre for Hubble. Men de vidste, at de kunne gå og fikse Hubble i rummet, og vi ved, at vi ikke kan fikse JWST, da teleskopet vil være på L-2-punktet, cirka 1,5 millioner kilometer væk fra Jorden, hvilket er cirka fire gange længere væk fra Jorden end Månen.
Dette er et kompliceret projekt, men vores tilgang til at udføre et kompliceret projekt er dramatisk anderledes end da jeg var ung feller. Da jeg kom til Goddard, brugte vi blyanter og diasregler, og computere var temmelig nye, og de fleste havde ikke dem. Nu har vi computere overalt, der holder styr på vores dokumenter. Vi kan udføre systemteknik og kan endda gøre meget nøjagtige, komplette simuleringer for at vide, om noget passer sammen og fungerer, inden vi endda har bygget det. Så verden har ændret sig, og det er en vidunderlig ting at se. Så det er derfor, vi nu er i stand til at bygge dette observatorium til omtrent de samme reelle omkostninger, som det tog for at få Hubble lanceret og fungeret. Men JWST er så meget større og mere magtfuld.
UT: Kan du fortælle os om designet til spejlet til JWST?
Mather: Det sværeste at bygge var spejlet, fordi vi havde brug for noget, der er langt større end Hubble. Men du kan umuligt løfte noget så stort eller sætte det ind i en raket, så du har brug for noget, der er lettere, men ikke desto mindre større, så det skal have evnen til at folde op.
Spejlet er lavet af letvægtigt beryllium og har 18 sekskantede segmenter. Teleskopet foldes op som en sommerfugl i sin chrysalis og skal helt fortryde det selv. Det er en temmelig detaljeret proces, der vil tage mange timer. Teleskopet er stort, 6,5 meter (21 fod), så det er ret imponerende.
Solskjoldet er helt nyt, og det bliver også nødt til at indsættes. Så hvad der blev pakket ind i en lille cylinder, bliver relativt set et kæmpe skjold omkring så stort som en tennisbane. Det er enormt. Alt dette sker i flere faser og vil tage dage. Vi hyrede et firma, Northrop Grumman, der havde erfaring med at udfolde ting i rummet, og de fortæller os, at dette bestemt ikke er det mest komplicerede, de har udfoldet i rummet, hvilket er betryggende.
Video af JWST-installationen i rummet:
UT: Har der været nogen diskussion af første lys, og hvad JWST vil se ud først?
Mather: Ja lidt. Det vil være den sjove del, når vi har sat tingene sammen.
UT: Har du nogle foretrukne forslag?
Mather: Jeg synes, vi skal starte med lette mål, der vil være smukke, der vil gøre det muligt for offentligheden at sige, ”Åh, jeg ser, at det fungerer!” Nogle af de første observationer kan gøres, når vi opretter teleskopet, selv før det er fuldt justeret. Fordi det er implementeret efter lanceringen og spejlet ikke er tæt på den rigtige form i starten, arbejder vi på dette gradvist. Der er en testmodel på Ball Aerospace i Boulder Colorado, hvor vi får øve på at sætte de 18 spejlsegmenter i position. Hvert segment har 7 motorer til at kontrollere position og krumning, så vi er nødt til at øve denne.
Dette er noget, de ikke kunne gøre med Hubble. De ønskede, at de kunne, og det havde motorer, men de kunne ikke skubbe hårdt nok. Det er en interessant historie. Vi lærte af Hubble, hvordan man korrigerer optikken baseret på de billeder, vi fik, så vi gør det med vilje til dette teleskop.
UT: Der har været en del kontroverser om, hvordan JWST vil blive lanceret.
Mather: Vi tager teleskopet til Fransk Guyana og lægger det i raketten dernede. ESA køber lanceringskøretøjet til os; det er Ariane 5-raket, et kommercielt produkt fra Europa, og de har haft et godt løb i det seneste, så det er meget pålideligt.
Naturligvis forårsagede det meget kontrovers. Selvom Europa gav os startkøretøjet, så at sige, var der mennesker her, der ikke ville acceptere det. Det tog to hovedkvarterer at acceptere det. Det koster os penge. Den eneste grund til, at det blev accepteret, var, at vi fik en ny administrator, der ville acceptere den. Det var Mike Griffin, så jeg vil sige, "meget tak Mike Griffin!"
UT: Dit team har stadig meget at gøre før 2013, som sandsynligvis vil være her, før du ved det!
Mather: Ja, det ved jeg. Det er over 13 år nu, siden NASA kontaktede mig om dette, men nu kommer slutningen hurtigt op. Vi har masser af tekniske udfordringer foran os med at sætte alt sammen. Og vi er ikke nået langt nok til at finde ud af, hvor mange ting vi brød, eller hvor mange fejl vi begik, men jeg synes, vi er ret gode til at finde ud af dem, før vi laver dem.
Det bliver meget spændende at sætte udstyret sammen for første gang. Vi har brikkerne, vi har billedet i boksen for at vise, hvor de går, og temmelig snart får vi beviset, at de arbejder sammen, eller ej. Da vi modtager alle dele her på Goddard, vil de alle være blevet testet individuelt, så de skulle spille sammen fint. Men naturen kan ikke lide arrogance, så vi er nødt til at teste det hele fra begyndelse til slutning, ligesom vi vil bruge det under flyvning. Når vi har sat det sammen her, tager vi det ned til Johnson Spaceflight Center og sætter det i den kæmpe vakuumtank der. Det vil være en ekstraordinær proces.
UT: Tak så meget for at tale med os.
Mather: Dette har været sjovt. Jeg elsker at fortælle min historie, og jeg er glad for, at du vil fortælle den med os. Jeg regnede med, at det måske var tid til at tale om, hvad vi laver, fordi spændende ting begynder at ske. Storslåede ting sker. Vi har Kepler-observatoriet op nu, og forhåbentlig finder de en håndfuld jordlignende planeter, der skal spores, og vi vil se nærmere på dem.
