Elsők között használhatják magyar csillagászok a vadiúj űrtávcsövet, amihez csak a Hubble fogható

Ha minden jól alakul, számtalan halasztás után, az eredetileg tervezett időponthoz képest 14 évvel később, 2021. december 25-én útnak indul a csillagászat történetének legbonyolultabb, legkockázatosabb, de egyben a legizgalmasabb felfedezésekkel kecsegtető vállalkozása, a James Webb űrteleszkóp (rövidítve JWST vagy Webb). Arról, hogy mi a jelentősége a James Webb űrteleszkópnak, mit várnak tőle, mit látnak majd vele a csillagászok, asztrofizikusok és más tudósok, Molnár László csillagászt, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont tudományos munkatársát, a SeismoLab kutatócsoport vezetőjét kérdeztük.

„A Webb űrtávcsőtől azt várjuk, hogy szó szerint távolabb lássunk vele, mint eddig szinte bármikor. Az egyik fő célja, hogy meglássa, milyen volt az univerzum a legelső csillagok és galaxisok megszületésekor, amikor százmillió évnyi sötétség után először járta át csillagfény a világegyetemet” – fogalmazott Molnár. A csillagász szerint fontos része lesz a kutatásoknak az is, hogy miképp fejlődtek tovább a galaxisok az évmilliárdok alatt, és minden eddiginél részletesebben vizsgálhatják majd a Tejútrendszer most születő csillagait, naprendszereit, a galaxisunk közepén lévő szupernehéz fekete lyukat és a más csillagok körüli bolygókat, az úgynevezett exobolygókat is.

Mik azok az űrtávcsövek és mire jók?

A 20. század közepén, az űrkutatás hajnalán merült fel az ötlet, hogy a földi telepítésű távcsöveknél sok szempontból jobbak lehetnek az űrben keringve működő teleszkópok. Lyman Spitzer amerikai csillagász 1946-ban indítványozta, hogy az USA építsen olyan űrtávcsövet, aminek a képalkotását nem rontja a Föld légköre. Spitzer, akiről egy 2003-ban fölbocsátott űrtávcsövet is elneveztek, gyakorlatilag végiglobbizta a hatvanas-hetvenes éveket, munkája eredményeképp készült el és állt pályára 1990-ben a Hubble űrteleszkóp (Hubble Space Telescope, HST).

Az Egyesült Államok és a Szovjetunió közötti űrversenynek, illetve az űrkutatás fejlődésének, a nemzetek közötti együttműködésnek köszönhetően az elmúlt fél évszázadban több mint száz kisebb-nagyobb űrteleszkóp épült meg és lépett a tudomány szolgálatába, nagyjából egyharmaduk még ma is működik. A nagyközönség számára a legismertebb a Hubble: a fény látható és ultraibolya-közeli tartományában érzékelő űrteleszkópnak több ezer lenyűgöző felvételt köszönhetünk, olyanokat, mint például a Teremtés oszlopai vagy a háromezer galaxist egyetlen képbe zsúfoló Deep Field. A Hubble űrtávcső tagja az amerikai űrkutatási hivatal (NASA) négy űrtávcsőből álló Nagy obszervatóriumok néven emlegetett műholdegyüttesének, ami magában foglalja még a más-más hullámhossz- és energiatartományban működő Compton, Chandra és Spitzer űrtávcsöveket. A nagy négyesen kívül természetesen épültek még bőven említésre méltó űrtávcsövek, elég, ha csak az exobolygók felfedezésében jeleskedő Keplerre vagy a legnagyobb infravörös űrtávcsőre, az amerikai-európai koprodukcióban megvalósult Herschelre gondolunk. Ha az utolsó szögig és bitig minden klappol, akkor a világ tudományos közössége által nagy reményekkel várt, elképesztően komplex James Webb űrteleszkóp is ezen legendás űrtávcsövek sorába emelkedik.

„A Földön vannak ezeknél nagyobb műszereink, és már épülnek óriási, 30-40 méter átmérőjű földi távcsövek is, amihez képest a Webb 6,5 méteres tükre eltörpül. De ezeknek meg kell küzdeni a földi légkörrel és időjárással, a felettük repkedő, egyre több műholddal, a nappalok idejére való leállással, csupa olyan dologgal, ami az űrben nem merül föl. Az űr további előnye, hogy a Webb által megcélzott, látható fényen túli hullámhosszok is akadálytalanul megfigyelhetők, a légkörünk viszont ezek többségét elnyeli, mielőtt a távcsövekbe érhetne” – fejtette ki Molnár a távcsövek űrbe telepítésének alapvető gyakorlati előnyeit.

Hubble vs. JWST

Miben lesz más vagy jobb a JWST, mint a korábbi űrtávcsövek? „Az űrtávcsövek között messze ez a legnagyobb és a legmodernebb műszerekkel felszerelt, ami valaha megépült, és a távcsövek esetében egyértelműen mondhatjuk, hogy a méret a lényeg. Már pusztán emiatt sokkal érzékenyebb lesz, és halványabb jeleket is észre tud majd venni, mint bármelyik korábbi űrtávcső.” Molnár szerint a JWST-t a Hubble-lel érdemes összevetni: „árban és komplexitásban egyértelműen hasonlóak, és a Webb olyan újabb zászlóshajója lesz a csillagászatnak, mint a Hubble.” Ettől függetlenül mégiscsak olyan, mintha almát hasonlítanánk körtéhez, „nem pont ugyanazt fogja csinálni, mint amire a Hubble-t használták az elmúlt harminc évben, a Webb például más hullámhosszokon fog dolgozni. Emiatt nem is fog ugyanolyan, nagyon dekoratív képeket készíteni, bár biztos lesz köztük rengeteg szép felvétel is.”

A JWST fejlesztése 1996-ban kezdődött 500 millió dolláros kezdeti büdzsével, 2007-re tervezett indulással. Egy teljes újratervezés és egy sor csúszás után csaknem tízmillárd dolláros költséggel valósulhat meg 2022-re a vadonatúj, működőképes űrteleszkóp. Nem csoda, hogy sokan úgy vélik, az amerikai, az európai és a kanadai űrügynökségek (NASA, ESA, CSA) közös zászlóshajója mintha kissé drágán és túl sokáig épült volna, és olyan hangokat is hallani, hogy felbocsájtásakor már rég elavult technikát küldenek az űrbe. Molnár László szerint a kép nem ennyire fekete-fehér, és gyakorlatilag ugyanez volt a helyzet a csillagászatban fényes eredményeket szállító Hubble esetében is. „A Hubble-t a hetvenes években kezdték el fejleszteni, és végül rengeteg csúszás után, csak 1990-ben állt pályára. Az űrtechnológia valójában mindig egy kicsit elavult a földihez képest, egyszerűen azért, mert a tervezéstől a megépítésen és rengeteg tesztelésen át az űrbe kerülésig elég sok idő eltelhet. Viszont mégis ez jelenti a csúcstechnikát kint az űrben.

Talán nem olyan gyorsak a processzorai, mint a telefonomban lévők, de cserébe elég biztosak lehetünk abban, hogy ki fogják bírni a rakéta rázkódását, az űr hidegét-melegét és vákuumát, a minden irányból bombázó sugárzást, amit nem biztos, hogy el lehet mondani a telefonom processzoráról. 

A mai fejlesztések pedig lehet, hogy egy a harmincas években repülő űrtávcsőbe kerülnek majd bele.”

Vajon igazuk van-e azoknak, akiket sokkolnak a JWST elszállt költségei? Molnár szerint a kezdeti árat valószínűtlenül, lehetetlenül alacsonyra lőtték be, „vélhetően azért, hogy a döntéshozók ne szörnyedjenek el, mennyi pénzbe is kerül majd. De valójában a végösszeg sem annyira hatalmas, ha összehasonlítjuk például azzal, mennyit költ a NASA az emberes űrrepülésekre és a Nemzetközi Űrállomásra. Az űr drága hely.”

A valaha volt legbonyolultabb űreszköz

Ha már a Hubble-lel való összehasonlításoknál járunk, azt nem árt szem előtt tartani, hogy a két űrtávcső nemhogy alma és körte, de valósággal gránátalma és villanykörte egymáshoz képest, és ehhez a megállapításhoz elég ránézni a két szerkezetre. A Hubble olyan, mint egy kályhacső, miközben a Webb leginkább egy futurisztikus űrvitorláshoz hasonlít, szinte minden ízében szofisztikáltabb és egyben bonyolultabb szerkezet neves elődjénél.

Ennek oka, hogy a JWST működése alapjaiban tér el a Hubble-étől. Ez utóbbi, akárcsak egy hagyományos távcső, egy hengeres cső, amelybe az optikát rejtették, hogy védjék a zavaró napfénytől. Az 530-540 kilométer magasan, Föld körüli pályán keringő Hubble sok mindennek lehet kitéve: egyik irányból tűző napsütésnek, másik irányból a Föld vagy a Hold felszínéről visszaverődő fénynek. A JWST ezzel szemben egészen más helyről gyűjti majd az adatokat az univerzumról: a Földtől mintegy 1,5 millió kilométerre kering majd a Nap körül, a Nap és a Föld gravitációjának foglyaként, az úgynevezett 2. Lagrange-pontban rögzített helyen. Ez pedig azt jelenti, hogy az L2 pontból nézve mindezek a vakító fényforrások (a Nap, a Föld, a Hold) többé-kevésbé ugyanabba az irányba mutatnak, így a teleszkópnak csak egyetlen nagy, ötrétegű napernyőre van szüksége ezek kiiktatásához. Ezen a teniszpálya nagyságú, rombusz alakú fény- és hőpajzson helyezkedik el a JWST optikai berendezése elsődleges és másodlagos tükrök formájában, így folyamatosan árnyékban maradva, az infravörös észlelésekhez ideális, állandó alacsony hőfokon végezheti a megfigyeléseket. A „sötét és hideg oldal” felelős tehát a kutatómunka oroszlánrészéért, míg a „napfényes és meleg oldal” hordozza az űreszköz napelemeit és a Földdel való kétirányú kommunikációt biztosító antennát.

Fő funkcióját tekintve a Webb ugyanazon elvek alapján épül fel, mint a Hubble: mindkét űrtávcső egy nagy főtükör köré épül, amelynek döntő feladata, hogy minél több fényt gyűjtsön be olyan objektumokról, amelyek a megfigyelhető világegyetem tőlünk legtávolabbi vidékein lehetnek. És minél nagyobb ez a tükör, annál jobb. A Hubble esetében a tükör átmérője 2,4 méter, és egyetlen kör alakú üvegdarabból készült. A JWST-hez jóval nagyobb tükröt terveztek, hogy sokkal több fényt gyűjthessenek vele, ráadásul az emberi szem által már nem is észlelhető infravörös tartományból. A JWST 6,5 méter átmérőjű fő tükre már nem egy nagy üvegdarab, mivel azt a NASA szerint eleve rendkívül nehéz lett volna legyártani, és ekkora üvegtükör eleve túl nagy és nehéz lett volna ahhoz, hogy a mélyűrbe juttassák. Ehelyett a Webb fő tükre 18 darab hatszögletű szegmensből épül fel, amelyet a fellövéshez összecsuktak, és mint egy origamivirág nyílik majd ki az űrben. A szegmensek fő anyaga arannyal bevont berillium: nagyon erős, könnyű fém, amelyet általában hiperszonikus repülőgépek és űreszközök építéséhez használnak.

344 lehetőség a kudarcra

Ahhoz, hogy a teleszkóp egészen az L2 pontig eljusson, nagy teljesítményű hordozórakétára van szükség, amely az Európai Űrügynökség Ariane 5 rakétája lesz. A Francia Guyanából történő felszállás után mindössze 26 perc múlva ez fogja a Webbet a Föld gravitációjából kiszabadítani és az L2 felé irányítani. Az űreszköz ezután leválik a rakétáról, és körülbelül egy hónapig fog repülni, mielőtt végül megérkezik a célállomásra.

Az iskolabusz méretűre összehajtogatott Webb-űrtávcső mindenestül annyira bonyolult szerkezet, pályára állítása és üzembe helyezése pedig olyan összetett folyamat, hogy a fölbocsájtástól kezdve az egy hónapig tartó kihajtogatáson át a hat hónappal későbbi „bekapcsolásáig” összesen 344 ponton vallhat kudarcot a küldetés. A Curiosity és Perseverance Mars-járók bonyolult landolását úgy nevezte a NASA, hogy „a terror 7 perce” – nos, a JWST üzembe helyezése ehhez képest pokoli hat hónap lesz, több száz olyan kritikus mozzanattal, amikor ha valami nem a számítások és tervek szerint működik, fuccsba megy minden. Mint Molnár László fogalmazott,

nemcsak december 22-én, a startnál fogunk izgulni, hanem amíg az egész nagyon összetett balett zajlik majd a mindenféle elemek, napvédő fóliák meg tükörszegmensek kihajtogatásával. Az biztos, hogy a csillagászok jelentős részének zabszem lesz a fenekében az ünnepek alatt, de már tényleg nem lehet mást csinálni, mint bízni abban, hogy elég tesztet végeztek, és minden lépés rendben fog működni.

Magyarok a JWST első használói közt

Feltéve, hogy a Webb rendben elindul, és minden működőképes lesz, a használatára évente pályázhatnak a csillagászok a világ bármely pontjáról, gyakorlatilag bármilyen témával, amit a kiírás és a műszerek lehetővé tesznek. „Részletes tervet kell összeállítani, amiben leírják a kutatók, hogy mit és miért akarnak megfigyelni, milyen tudományos eredményt várnak tőle, a távcső melyik műszerét használnák, mennyi ideig, milyen paraméterekkel” – magyarázta Molnár. Már az első körben, még a távcső indulása előtt több mint ezer pályázat érkezett, és csak a negyedük, kevesebb mint háromszáz fér majd bele az első évbe.

Ebből a szempontból is kiemelten elismerésre méltó, hogy magyar csillagászok is bekerültek az első körben távcsőidőt elnyerő kutatók elitjébe. A 2020. november végi határidőig 1170 távcsőidő-pályázat érkezett a Webb-űrteleszkóp tudományos programját koordináló baltimore-i Space Telescope Science Institute-hoz (STScI), zömük a világ vezető kutatóintézeteiből, és idén március 30-án hirdettek eredményt. A magyar csillagászok igazán kitettek magukért: pályázatvezetői és társ-témavezetői vonalon benyújtott pályázatait mind befogadta az STScI, tudtuk meg Szalai Tamástól, az egyik nyertestől.

A Bolyai-ösztöndíjas kutató, az SZTE TTIK Fizikai Intézet, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének tudományos munkatársa társ-témavezetőként nyújtott be projektet, amely arra a kérdésre keresi a választ, vajon „kozmikus porgyárak”-e a nagy tömegű csillagok életét lezáró, gigantikus energiakibocsátással járó szupernóva-robbanások, vagy sem. „A csillagközi térben lévő porszemcsék galaxisunkban a teljes csillagközi anyag kb. 1 százalékát teszik ki. Számos asztrofizikai folyamatban, többek között a molekulaképződésben és a bolygókeletkezésben is nagyon fontos tényezőnek számítanak; eredetük azonban nem teljesen világos” – magyarázta.

Korábbi – elsősorban a NASA 2020 elején nyugdíjazott Spitzer-űrtávcsövével rögzített – infravörös mérési adatok alapján jó pár szupernóva esetében sikerült is porképződésre utaló direkt jeleket találni. „Fontos tisztázni, mi a magyarázata annak, hogy a mért portömegértékek az elméleti jóslatoknál nagyságrendekkel kisebbnek bizonyultak. Az egyik lehetséges opció, hogy a porszemcsék egy idő után szétaprózódnak az intenzív sugárzási térben. A másik, hogy a por hőmérséklete rövid idő alatt a Spitzerrel érzékelhető limit (kb. 100 kelvin) alá csökken. Az ennél alacsonyabb hőmérsékleti sugárzást a kellően érzékeny James Webb űrtávcsővel detektálni lehet még a millió fényévekre lévő galaxisokban is” – tette hozzá a szegedi csillagász, aki emellett további három sikeres pályázatban is közreműködőként szerepel.

Többszörös sikerben volt része a szintén szegedi csillagászdiplomával rendelkező, bő egy évtizede az Arizonai Egyetemen dolgozó Gáspár Andrásnak is, aki társ-témavezetőként a galaxisunk centrumában lévő szupernagy tömegű fekete lyuk környezetének mágneses és ionizációs viszonyait, közreműködőként pedig emellett fiatal csillagok körüli korongok fejlődését és egyes exobolygórendszerek Kuiper-övhöz hasonló formációit vizsgálhatja. A nyertes pályázatokban közreműködők sorában ott van az ugyancsak Szegeden diplomázott és jelenleg szintén Arizonában dolgozó Apai Dániel is, aki kollégáival gömbhalmazokban lévő ultrahideg (azaz a Nap felületi hőmérsékletének alig felével rendelkező) törpecsillagokra vadászik majd.

A saját múltunk és rejtélyes üstökösök nyomában

Az egyetlen nyertes, tisztán hazai vezetésű pályázatot Ábrahám Péter, az ELKH CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézetének tudományos tanácsadója és csapata (benne Kóspál Ágnessel és a szintén az ő helyi kutatócsoportjukban dolgozó Lej Csennel) adta be. Ők a csoport által már hosszú évek óta sikerrel tanulmányozott fiatal, eruptív (azaz a csillag körüli korongból időszakosan megnövekedő anyagbehullás következtében felfényesedéseket produkáló) csillag, az EX Lupi közép-infravörös spektroszkópiájára kaptak távcsőidőt, amitől a csillag körüli korongban és a kifújódó anyagban lévő molekulák eloszlásának és paramétereinek még alaposabb megismerését remélik.

„Az univerzumban jelenleg is keletkeznek olyan csillagok, amilyen a Nap is volt 4,5 milliárd évvel ezelőtt. Bár visszarepülni nem tudunk az időben, hogy megszemléljük a mi saját Napunk bolygórendszerének születését, a most keletkező fiatal csillagok tanulmányozása sokat elárulhat a mi múltunkról is. Az egyik izgalmas és még nyitott kérdés, hol, milyen anyagból jöttek létre először olyan kisebb égitestek, mint a kisbolygók és az üstökösök” – írta Ábrahám Péter és Kóspál Ágnes az rtl.hu érdeklődésére.

A CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet csillagászai szerint az üstökösök összetétele különösen érdekes és rejtélyes. Bár anyaguk nagy része jégbe fagyott kőzet, tartalmaznak olyan szilikátdarabkákat is, amelyek korábban magas hőmérsékletű környezetben kristályosodtak át. Ilyen kristályok a Földön is megtalálhatók, de hogy miért fordulnak elő üstökösökben, nehezen érthető, „hiszen ezek a nagyra nőtt hógolyók soha nem jártak olyan magas hőmérsékletű helyen, a Naphoz annyira közel, hogy az eredetileg rendezetlen szerkezetű szilikátszemcsék átkristályosodása végbe mehessen”. A magyar csillagászok feltételezik, hogy a szilikátkristályok az ős-Nap környezetében keletkeztek, majd távolra kerültek tőle, és az alacsonyabb hőmérsékleten beépülhettek a formálódó üstökösök anyagába. Ezt az elméletet szeretnék tudományosan bizonyítani a Webb-űrtávcső segítségével, amivel a 13 éve több százszorosára fényesedett EX Lupit céloznák meg.

Hogy miért az EX Lupi a célpont? A 2008-as, hónapokig tartó kitörés során a fiatal csillag környezetében meleg kristályos szemcsékből eredő sugárzást azonosítottak a magyar csillagászok. Ezek a szemcsék feltehetően a csillag körül örvénylő lapos por- és gázkorongban keringenek, amelyből egyrészt anyag hullik a növekvő csillagra, másrészt ez a korong a bolygórendszer szülőhelye. Mivel a kristályok a kitörés előtt nem voltak jelen, ez a megfigyelés bebizonyította, hogy a fiatal csillagok felfényesedése az egyik lehetséges forrása a bolygórendszerben található kristályos részecskéknek.

Ezt a felfedezést a Nature folyóirat is közlésre méltónak ítélte 2009-ben, a fő kérdés azonban az, hogy eljutnak-e vajon a kitörés hőjében keletkezett kristályok távolabbra a csillagtól, elérhetik-e az üstökösök keletkezési zónáját, az úgynevezett jégvonalat? Vagy rövid idő múlva belehullanak a csillagukba, és megsemmisülnek? „Az eltávolodott szilikátszemcsék jele valószínűleg nagyon gyenge, amelyet a földfelszínről lehetetlen megfigyelni, hiszen légkörünk szinte teljes mértékben elnyeli. Az új lehetőség, hogy megtalálhassuk az elveszett kristályainkat, a James Webb Űrtávcső idén decemberre tervezett útnak indításával jött el."

Nyitókép: a James Webb űrtávcső művészi látványképe – Illusztráció: Adriana Manrique Gutierrez / NASA GSFC / CIL