De James Webb Space Telescope (JWST) is de langverwachte "next generation" telescoop. Gepland voor lancering in 2013 Oktober 2018, JWST wordt aangeprezen als de opvolger van de Hubble-ruimtetelescoop. Hiermee hopen astronomen terug te kijken in de tijd toen het heelal nog maar 200 miljoen jaar oud was, en de eerste sterren en sterrenstelsels te zien. De leidende wetenschapper die dit project leidt, is Dr. John Mather, mede-ontvanger van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2006 voor zijn werk met de Cosmic Background Explorer (COBE), die de vorm van het zwarte lichaam en de anisotropie van de kosmische microgolfachtergrond heeft gemeten.
We waren begrijpelijk vereerd toen Dr. Mather contact opnam met Space Magazine en zei dat hij graag met ons wilde praten over de status van JWST. "Ik dacht dat het misschien tijd was om te praten over wat we doen", zei hij, "omdat er spannende dingen beginnen te gebeuren."
Space Magazine: Dr. Mather, we horen al meer dan een decennium over de Next Generation Space Telescope, die later officieel de James Webb Space Telescope werd genoemd. Kun je ons vertellen hoe het concept voor deze telescoop is begonnen?
John Mather: In 1989, nog voordat de Hubble werd gelanceerd, werd er een conferentie gehouden over wat de volgende ruimtetelescoop zou moeten zijn. Ze bespraken grote telescopen van de toekomst en publiceerden uit de besprekingen een boek. Maar ze dachten echt niet dat infrarood de grote golf van de toekomst was. In 1993 was er een commissie genaamd HST and Beyond. Ze publiceerden in 1996 een mooi klein rapport waarin stond dat er twee belangrijke dingen te doen waren. De ene was om een infraroodtelescoop te bouwen, in tegenstelling tot wat het vorige boek had gezegd, en de andere was om een telescoop te bouwen om naar aardachtige planeten te zoeken. Op dat moment erkenden astronomen net dat het zoeken naar planeten buiten ons zonnestelsel mogelijk was. Dus in oktober 1995 belde het NASA-hoofdkwartier me op, gaf me een lijst met wetenschappers en ingenieurs om contact op te nemen en zei dat ze moesten beginnen met plannen. Dus dat deden we en we kwamen onmiddellijk tot een opmerkelijke convergentie van gedachte en mening. We waren het snel eens over een concept dat aansloot bij de wensen van de wetenschappelijke gemeenschap en binnen de ambities van NASA viel. U zult merken dat de telescoop die we toen wilden vliegen, veel lijkt op de telescoop die we in 2013 gaan vliegen.
UT: Kunt u ons nu een update geven over de status van de JWST?
Mather: De hardware van het vlieginstrument komt in de zomer van 2010 van over de hele wereld. De fijne geleidingssensor komt uit Canada, anderhalve instrumentpakketten komen uit Europa en de rest komt uit de VS. Dus over 18 maanden begint het instrumentenpakket samen te gaan, en dan ontmoet het ongeveer een jaar later de telescoop. De vier wetenschappelijke instrumenten zijn een nabij-infrarood camera, een nabij-infrarood multi-object spectrograaf, een midden-infrarood instrument en een afstembare filter-imager.
We hebben zojuist de Critical Design review voor de instrumentmodule doorgenomen. Vorige week lieten honderden mensen alles bekijken en ons vertellen of we het goed deden. Ik denk dat we geslaagd zijn, hoewel ik de officiële papieren nog niet gezien heb. Maar zelfs ik was onder de indruk.
UT: De vraag die veel mensen mij stellen is, aangezien Hubble zo succesvol is, waarom wordt JWST dan geen optische telescoop?
Mather: Waarom veranderde de commissie van optisch naar infrarood? Het was tweeledig. Een daarvan was dat Hubble zo goed werd dat ze konden zien dat het moeilijk te verslaan zou zijn, ongeacht hoe groot je een telescoop had gebouwd. Een ander ding dat gebeurde, was dat mensen zagen dat je grote optische telescopen op de grond kon bouwen. De Keck-telescoop werkte heel goed en mensen begonnen te praten over adaptieve optica, wat betekende dat zelfs grotere telescopen op de grond de moeite waard waren. Dus die twee dingen wezen ons op een infraroodtelescoop. Ook alle wetenschappers van de JWST zeiden dat we infrarood nodig hadden. Van de weinige mogelijkheden die we destijds hadden, was infrarood fascinerend, omdat ik ontdekte dat het verste universum opwindend is en rood verschoven is van het zichtbare. Het begint in ultraviolet en wordt infrarood vanwege de grote afstanden van deze objecten en de enorme rode verschuiving die ze hebben. Dus als je ultraviolette astronomie wilt doen aan de rand van het heelal, heb je een infraroodtelescoop nodig.
UT: Nu de infrarood Spitzer-ruimtetelescoop zo goed werkt, is dat van gedachten veranderd, of wil dat wetenschappers met infrarood naar het volgende niveau gaan?
Mather: Ja, Spitzer heeft bewezen dat dit eigenlijk een fascinerend gebied is. Spitzer is eigenlijk een kleine telescoop naar moderne maatstaven; het is slechts 3 voet breed, 85 cm. Maar het heeft verbazingwekkende verrassingen opgeleverd. Ze kunnen dingen zien tot zeer hoge rode verschuivingen, en geen van die dingen werd verwacht. Dus dat vertelt ons dat infrarood de wonderlijke ontdekkingen zullen zijn. We weten nu dat we de technologie kunnen gebruiken, dus laten we een betere telescoop nemen. De wetenschap is heel, heel opwindend, en er wacht zoveel om ontdekt te worden.
UT: Wat onderscheidt volgens u de JWST van eerdere ruimtetelescopen?
Mather: Elke telescoop zegt: "Ik ben beter dan degene voor mij", en we zeggen hetzelfde. Natuurlijk zal deze telescoop met zijn infraroodvermogen en zijn enorme diafragma verder terug in de tijd kijken; het zal door stofwolken kijken om te zien waar sterren worden geboren; het zal dingen zien die op kamertemperatuur zijn, zoals jij en ik, planeten of jonge sterren die geboren worden. Al die dingen zijn direct zichtbaar met de infraroodcapaciteit die we hebben op deze nieuwe telescoop. Het meeste werk wordt gedaan in infrarood, met enige mogelijkheden in het zichtbare bereik.
Maar we hebben een telescoop voor algemeen gebruik gebouwd. Na de lancering kunnen wetenschappers voorstellen schrijven zoals ze doen voor Hubble, voor wat ze willen observeren, zodat ze kunnen observeren wat het actuele onderwerp op dat moment ook is.
UT: Met je ervaring met COBE en de daaropvolgende onderscheidingen die je hebt ontvangen, hoe heb je dat op de JWST toegepast?
Mather: Het was niet zozeer de eer die mijn leven beïnvloedde, het was het feit dat ik het proces van het begin tot het einde heb doorgemaakt voor een zeer radicaal ontworpen observatorium, wat COBE was, dat gaf me het lef om groot te denken dingen. Dus toen NASA Headquarters zei dat ze een opvolger voor Hubble wilden, dacht ik dat dat interessant zou zijn, en ik had genoeg lef om ja te zeggen, ik zou dat graag willen proberen. COBE was voor die tijd erg ambitieus, maar klein genoeg dat ik de ingenieurs persoonlijk kende en ik elke dag met ze kon praten over wat dan ook. Dus ik dacht dat ik kon afstuderen naar een groter project.
UT: En nu werk je met mensen van over de hele wereld?
Mather: Ja, dit is een enorme deal. Ons wetenschapsteam bestaat uit ongeveer 19 mensen, uit Europa, de VS en Canada. Het engineeringteam bestaat uit meer dan 2.000 mensen die over de hele wereld verspreid zijn. Ik ken ze duidelijk niet allemaal. Ik werk het nauwst samen met de wetenschappers en praat met hen over wat we willen bereiken, en zorg ervoor dat we dat bereiken. Dus ik heb nu een andere rol. Ik heb geen praktische verantwoordelijkheid voor hardware, maar ik werk samen met de mensen die dat wel doen. We hebben toegang tot enkele van de allerbeste mensen ter wereld over elk onderwerp.
UT: Kun je praten over de problemen die deze telescoop heeft moeten overwinnen, de kostenoverschrijdingen en de vertragingen die hij heeft gehad?
Mather: Ten eerste, de kostenoverschrijding is niet zo groot als wordt weergegeven door sommige mensen die het geld willen hebben voor hun eigen projectideeën. Oorspronkelijk was Dan Goldin het hoofd van NASA toen we begonnen, en hij zei: "We willen dat je een manier bedenkt om dit observatorium te doen voor een half miljard dollar in 1996 dollar." We zeiden dat we het zouden proberen. Maar we realiseerden ons al snel dat dit moeilijk zou worden. Tegen de tijd dat we ons klaarmaakten om het aan de decadale enquête in 2000 te presenteren, bedroegen de kosten meer dan een miljard dollar. Drie jaar geleden zagen we dat het werk steeds moeilijker werd en moesten we opnieuw plannen en opnieuw budgetteren. Nu, als je de volledige NASA-kosten van begin 1995 tot het einde meetelt, ergens na 2019 met inflatie en ambtenaren (die we voorheen niet telden), is het nu ongeveer $ 4,5 miljard aan echte echte dollars, niet 1996 dollars. Er zijn dus kostenstijgingen, maar we hebben uitstekend succes gehad en we liggen op schema om deze prachtige machine te lanceren, die door duizenden astronomen zal worden gebruikt. En we hebben ons plan of ons totale budget in drie jaar niet hoeven wijzigen, dankzij het vaste leiderschap van het NASA-hoofdkantoor en het briljante technische werk van de teams.
UT: Dat is goed om te weten. Ik denk dat mensen een algemeen concept hebben dat de JWST een enorme kostenpost heeft gehad.
Mather: Nou, het is niet iets kleins, en we zouden willen dat we dat beter hadden kunnen doen. Maar het gaat om een factor twee groei, en niet de factor vijf die is geadverteerd door sommige mensen die beter zouden moeten weten. Deze telescoop werkt nog lang. De vereiste is vijf jaar, maar we hopen er tien te laten draaien. Ons project loopt dus van 1995 tot misschien 2024 wanneer de activiteiten zouden eindigen.
Laat me je een idee geven van wat we moesten doen om ons voor te bereiden en wat we al die tijd hebben gedaan. We hebben een lijst met tien belangrijke technologieën ontwikkeld die we nodig hadden. Het moeilijkste was om de spiegels te ontwikkelen. Dat vereiste twaalf verschillende contracten, alleen om de concurrenten te ontwikkelen tot waar hun ontwerpen goed genoeg waren, dus dat duurde nogal wat jaren. De detectoren moesten duidelijk worden verbeterd ten opzichte van wat we hebben op de Spitzer- en Hubble-telescopen. Dus nu hebben we grotere en betere detectoren en ze zijn fantastisch. Een maatstaf die astronomen hebben, is hoeveel verdwaalde elektronen je van de detectoren krijgt. Als je al het licht afsluit, zou je nul moeten krijgen. We hebben nu detectoren die een paar losse elektronen per pixel per uur afgeven, wat bijna perfect is. Het zou goed zijn om nog beter te zijn, maar dit is fantastisch. Ik ben onder de indruk.
We moesten de koelkasten in de ruimte verbeteren. We begonnen met te zeggen dat we een stralend gekoelde telescoop nodig hebben, zodat deze op zichzelf koel genoeg zou zijn, en dat is grotendeels waar. Maar het blijkt dat we nog steeds een actieve koelkast nodig hebben om de langste golflengtedetectoren koud te houden, dus dat moesten we ontwikkelen.
Dus dit zijn slechts enkele van de dingen die we moesten ontwerpen, en alle technologische ontwikkeling was eindelijk voltooid in 2007 en heeft de goedkeuring van de beoordelingsraad aangenomen, die zei: "Ja, die dingen zijn nu eindelijk klaar om te worden gebouwd."
Dus het was lang om naar 2007 te gaan en ik denk niet dat mensen echt hebben gewaardeerd wat er nodig is om nieuwe technologieën klaar te maken. Aan de andere kant zijn we gezegend omdat we geen 'back-up' hoeven te maken. We hebben voldoende planning en moeite gestoken in deze technologieën zodat ze nu werken. Dat was een van de dingen die we hebben geleerd van het Hubble-project, namelijk: maak je ontwerp pas af als je weet wat je moet bouwen.
UT: Hoe zit het met uw testproces. Is het behoorlijk streng?
Mather: Dat is een andere les die we van Hubble moesten leren. Als je het niet test, werkt het niet. We hebben geleerd een zeer vastberaden en rigoureus proces te hebben. Ze hebben genoeg tests op de Hubble uitgevoerd die ze hadden kunnen weten over de problemen met de spiegelfocus. De spiegelfabrikant had twee tests die het niet met elkaar eens waren en ze besloten er een te negeren in plaats van de reden op te sporen, en dat bleek dom en duur.
We hebben een generalisatie dat als iets er echt toe doet, het dan twee keer doet. We zullen de telescoop zelfs koud testen in de grote vacuümtank in het Johnson Space Center. Dus het zal een volledige end-to-end "light-in-at-the-begin, light-out-at-the-end" soort test zijn, iets wat ze niet voor Hubble konden doen. Maar ze wisten dat ze Hubble in de ruimte konden repareren, en we weten dat we JWST niet kunnen repareren, aangezien de telescoop zich op het L-2-punt bevindt, ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde verwijderd, wat ongeveer vier keer verder verwijderd is van de Aarde dan de maan.
Dit is een ingewikkeld project, maar onze aanpak voor het doen van een ingewikkeld project is heel anders dan toen ik een jonge jongen was. Toen ik hier bij Goddard kwam, gebruikten we potloden en rekenlinialen, en computers waren vrij nieuw en de meeste mensen hadden ze niet. Nu hebben we overal computers die onze documenten bijhouden. We kunnen systems engineering doen en zelfs zeer nauwkeurige, volledige simulaties om te weten of iets in elkaar past en werkt voordat we het hebben gebouwd. Dus de wereld is veranderd en het is geweldig om te zien. Daarom kunnen we dit observatorium nu bouwen voor ongeveer dezelfde reële kosten als nodig waren om de Hubble te lanceren en te laten werken. Maar JWST is zoveel groter en krachtiger.
UT: Kun je ons iets vertellen over het ontwerp van de spiegel voor de JWST?
Mather: Het moeilijkste om te bouwen was de spiegel, omdat we iets nodig hadden dat veel groter was dan Hubble. Maar je kunt onmogelijk iets groots tillen of in een raket passen, dus je hebt iets nodig dat lichter is maar toch groter, dus het moet kunnen worden opgevouwen.
De spiegel is gemaakt van lichtgewicht beryllium en heeft 18 zeshoekige segmenten. De telescoop vouwt zich als een vlinder in zijn pop op en zal zichzelf volledig moeten losmaken. Het is een vrij ingewikkeld proces dat vele uren in beslag zal nemen. De telescoop is enorm, 6,5 meter (21 voet), dus het is behoorlijk indrukwekkend.
Het zonnescherm is volledig nieuw en zal ook moeten worden ingezet. Dus wat in een kleine cilinder was verpakt, wordt relatief gezien een gigantisch schild van ongeveer zo groot als een tennisbaan. Het is enorm. Dit alles gebeurt in meerdere fasen en duurt dagen. We huurden een bedrijf in, Northrop Grumman dat ervaring had met het ontvouwen van dingen in de ruimte, en ze vertellen ons dat dit absoluut niet het meest gecompliceerde is dat ze in de ruimte hebben ontvouwd, wat geruststellend is.
Video van de JWST die in de ruimte wordt ingezet:
UT: Is er enige discussie geweest over het eerste licht en waar de JWST het eerst naar zal kijken?
Mather: Ja een beetje. Dat is het leuke gedeelte nadat we het ding in elkaar hebben gezet.
UT: Heeft u favoriete suggesties?
Mather: Ik denk dat we moeten beginnen met gemakkelijke doelen die mooi zullen zijn, waardoor het publiek kan zeggen: "Oh, ik zie dat het werkt!" Sommige van de eerste waarnemingen kunnen worden gedaan wanneer we de telescoop opzetten, zelfs voordat deze volledig is afgesteld. Omdat het na de lancering wordt ingezet en de spiegel in het begin niet in de buurt van de juiste vorm is, werken we hier geleidelijk aan aan. Er is een testmodel bij Ball Aerospace in Boulder Colorado, waar we kunnen oefenen met het in positie brengen van de 18 spiegelsegmenten. Elk segment heeft 7 motoren om de positie en kromming te regelen, dus we moeten deze repeteren.
Dit is iets wat ze niet konden doen met Hubble. Ze wensten dat ze het konden, en het had motoren, maar ze konden niet hard genoeg duwen. Dat is een interessant verhaal. We hebben van Hubble geleerd hoe we de optiek konden corrigeren op basis van de afbeeldingen die we kregen, dus we doen het met opzet voor deze telescoop.
UT: Er is enige controverse geweest over hoe de JWST zal worden gelanceerd.
Mather: We nemen de telescoop naar Frans-Guyana en laden hem daar in de raket. De ESA koopt het lanceervoertuig voor ons; het is de Ariane 5-raket, een commercieel product uit Europa en ze hebben de laatste tijd een goede run gehad, dus het is zeer betrouwbaar.
Dat veroorzaakte natuurlijk veel controverse. Ook al gaf Europa ons als het ware het lanceervoertuig, er waren hier mensen die het niet wilden accepteren. Het kostte het hoofdkantoor twee jaar om het te accepteren. Dat kostte ons geld. De enige reden waarom het werd geaccepteerd, was dat we een nieuwe beheerder hebben gekregen die het zou accepteren. Dat was Mike Griffin, dus ik wil zeggen: "heel erg bedankt Mike Griffin!"
UT: Je team heeft nog veel te doen voor 2013, wat waarschijnlijk voor je het weet hier zal zijn!
Mather: Ja dat weet ik. Het is nu meer dan 13 jaar geleden dat NASA hierover contact met mij heeft opgenomen, maar nu komt het einde snel. We hebben tal van technische uitdagingen voor de boeg om alles samen te stellen. En we zijn niet ver genoeg gekomen om erachter te komen hoeveel dingen we hebben gebroken of hoeveel fouten we hebben gemaakt, maar ik denk dat we er redelijk goed in zijn om ze uit te zoeken voordat we ze maken.
Het wordt heel spannend om de apparatuur voor het eerst in elkaar te zetten. We hebben de stukjes, we hebben de foto op de doos om te laten zien waar ze heen gaan, en al snel kunnen we bewijzen dat ze samenwerken of niet. Tegen de tijd dat we alle onderdelen hier bij Goddard ontvangen, zijn ze allemaal afzonderlijk getest, dus het is de bedoeling dat ze prima samen spelen. Maar de natuur houdt niet van arrogantie, dus we moeten alles van begin tot eind testen, net zoals we het tijdens de vlucht gaan gebruiken. Nadat we het hier hebben samengesteld, brengen we het naar Johnson Spaceflight Center en plaatsen het daar in de gigantische vacuümtank. Dat wordt een buitengewoon proces.
UT: Heel erg bedankt voor het praten met ons.
Mather: Dit was leuk. Ik vertel graag mijn verhaal en ik ben blij dat je het met ons wilt vertellen. Ik dacht dat het misschien tijd was om te praten over wat we doen, omdat er spannende dingen beginnen te gebeuren. Er gebeuren prachtige dingen. We hebben nu het Kepler-observatorium en hopelijk zullen ze een handvol aardachtige planeten vinden om op te sporen en we zullen ze van dichterbij bekijken.
