Binnenkort gaat de James Webb Space Telescope eindelijk de ruimte in. Astronomen kijken er reikhalzend (en een tikje gespannen) naar uit. De ruimtetelescoop zal vragen gaan beantwoorden die hen al decennialang bezighouden.
Update bericht: op 25 december is de James Webb Space Telescope succesvol gelanceerd. Hij is nu op weg naar het zogeheten lagrangepunt L2: een plek waar de ruimtetelescoop met de aarde mee om de zon kan draaien, op 1,5 miljoen kilometer van onze planeet.
De James Webb-ruimtetelescoop (JWST, of kortweg Webb), die bijna tien miljard euro kostte en zo groot is als een tennisveld, is een veelbelovend apparaat. Hij zal het onder meer mogelijk maken om metingen te doen aan exoplaneten, en om terug te kijken in de tijd naar de eerste sterren en sterrenstelsels.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Hiervoor beschikt de JWST over vier meetinstrumenten die infraroodstraling detecteren. Infrarood is net als uv-licht en zichtbaar licht elektromagnetische straling. Het heeft een langere golflengte dan zichtbaar licht. Nederland leverde een van die vier meetinstrumenten – MIRI geheten, voor mid-infraroodstraling – en krijgt daarom gegarandeerd waarneemtijd met de splinternieuwe ruimtetelescoop.
‘Wat je kunt onderzoeken door naar mid-infraroodstraling te kijken, kan samengevat worden als oud, koud en stoffig’, zegt moleculair astrofysicus Ewine van Dishoeck, van Universiteit Leiden. Van Dishoeck is sinds de jaren negentig betrokken bij de ontwikkeling van de JWST. Oud slaat op de allereerste sterren en sterrenstelsels. Koud gaat over de gaswolken waarin nieuwe sterren en planeten vormen. En stoffig, omdat infraroodstraling doordringt tot in de stoffige wolken waarin nieuwe sterren en sterrenstelsels ontstaan.
Eerste sterren en sterrenstelsels
Het heelal bestaat ruim 13,7 miljard jaar. Dat weten we mede dankzij die andere beroemde ruimtetelescoop: Hubble. Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal kon er voor het eerst licht ontsnappen. Dit ‘eerste licht’ is nu waarneembaar als de kosmische achtergrondstraling. Snel daarna werd het weer helemaal donker. Deze periode, die miljoenen jaren duurde en de dark ages wordt genoemd, eindigde rond de tijd dat de eerste sterren vormden. Daardoor was er genoeg energie om het heelal weer op te laten lichten. ‘Dit proces noemen we reïonisatie’, zegt astronoom Karina Caputi van de Rijksuniversiteit Groningen.
‘Webb stelt ons in staat om te onderzoeken hoe dit proces is verlopen en zelfs om talloze sterrenstelsels te detecteren die ontstonden voordat het reïonisatieproces was voltooid’, vervolgt ze. Met de JWST wil Caputi enkele van de vroegste sterrenstelsels ontdekken en onderzoeken, om zo meer grip te krijgen op deze periode in het vroege heelal.
Daarnaast gaat ze op zoek naar kleine, vroege sterrenstelsels. ‘We verwachten dat grote sterrenstelsels vormen uit deze kleinere’, vertelt ze. ‘Maar we hebben deze kleine bouwstenen nog nooit waargenomen, omdat de huidige telescopen daar niet gevoelig genoeg voor zijn.’
Planeet- en stervorming
Van Dishoeck kijkt meer naar het heden. Ze hoopt met de JWST-metingen meer te weten te komen over planeetvorming. Planeten ontstaan in stofschijven rondom jonge sterren. Lange tijd zagen dergelijke schijven er in telescoopmetingen uit als een grote ‘blob’, met weinig details. ‘Dankzij de ALMA-telescoop in Chili, kunnen we de buitenste delen van die schijf nu iets beter bekijken’, zegt Van Dishoeck. Webb gaat deze metingen naar een nieuw niveau tillen door in te zoomen op het binnenste deel van de schijf. Daar vormen waarschijnlijk de meeste planeten.
Bovendien maakt de JWST het mogelijk om beter te bepalen welke moleculen er aanwezig zijn in de schijf. Van Dishoeck: ‘Moleculen die basis vormen voor nieuwe planeten, zoals water, methaan, ammonia en CO2, zijn goed zichtbaar in het infrarood.’ Deze moleculen laten een soort vingerafdruk achter in de infraroodstraling die planetenstelsels uitzenden. Door de straling te analyseren kunnen astronomen dus de chemische samenstelling van de schijf bepalen.
‘De samenstelling van die schijf is niet overal hetzelfde’, zegt Van Dishoeck. Dichterbij de moederster kan de verhouding koolstof, zuurstof en water anders zijn dan verder naar buiten. Astrofysici verwachten daarom dat de samenstelling van een vormende planeet afhangt van de afstand tot de moederster. Dit is interessant omdat astronomen ook vermoeden dat planeten gedurende hun leven verplaatsen, naar de moederster toe of juist ervandaan. ‘We hopen dat we uiteindelijk door naar de samenstelling van volwassen planeten te kijken, een idee kunnen krijgen van de plek waar hij gevormd is.’
Atmosferen van exoplaneten
De JWST kan ook de chemische samenstelling van de atmosferen van exoplaneten – planeten om een andere ster dan onze zon – in kaart brengen. De moleculen die daar aanwezig kunnen zijn, komen gedeeltelijk overeen met de moleculen in de stofschijf. En ze laten dus ook een herkenbare vingerafdruk achter in de infraroodstraling die de JWST zal gaan meten. ‘Er gaat veel waarnemingstijd van Webb naar de vraag wat de samenstelling is van planeten bij andere sterren’, zegt astrofysicus Rens Waters, van de Radboud Universiteit. ‘In het eerste jaar ongeveer 20 procent.’
De JWST kan een glimp opvangen van de atmosferen van exoplaneten als deze voor hun moederster langs bewegen. ‘Een klein beetje licht van die ster filtert dan door de atmosfeer heen’, vertelt Waters. ‘Met deze kleine, maar meetbare hoeveelheid licht kunnen we achterhalen welke moleculen er aanwezig zijn in de atmosfeer en hoeveel er van elke stof aanwezig is.’ Deze metingen zijn nu al mogelijk met de Hubble-ruimtetelescoop, maar de JWST zal dit beter, preciezer en voor meer moleculen kunnen.
Daarnaast wil Waters met behulp van de nieuwe telescoop exo-meteoroloog worden. ‘We willen gaan kijken of exoplaneten ook wolken hebben en waar die dan uit bestaan. De JWST is zo gevoelig dat we bij bepaalde planeten kunnen kijken of er een verschil is in de bewolking ‘s ochtends en ‘s avonds.’
Gaspedaal van JWST intrappen
Waters hoop met de ruimtetelescoop ook te achterhalen of er CO2 aanwezig is in de atmosfeer van een van de eerder ontdekte planeten in het TRAPPIST-1 stelsel. ‘Dat is wel op het randje van wat er met Webb mogelijk is. Maar het is net als wanneer je in een Ferrari stapt. Eerst probeer je voorzichtig of hij het doet, maar daarna wil je toch even plankgas geven.’
Net als Caputi en Van Dishoeck is Waters enthousiast over de mogelijkheden en kijkt hij uit naar de eerste waarnemingen, die ze in de tweede helft van 2022 verwachten. ‘Met Webb kunnen we met nieuwe ogen naar het heelal kijken’, zegt hij. ‘Dat levert altijd verrassingen op.’
Caputi beaamt dat: ‘Ik kan vertellen wat we denken dat we gaan ontdekken. Maar het meest interessante is datgene dat nu nog onbekend is en wat we pas ontdekken als we de beelden van Webb binnenkrijgen.’