astronomie

Ruimtetelescoop James Webb kijkt waar geen voorganger ooit keek – en moet daarmee onze kosmische geschiedenis onthullen

Van Santen & Bolleurs Beeld Van Santen & Bolleurs
Van Santen & BolleursBeeld Van Santen & Bolleurs

Vandaag wordt dan naar alle waarschijnlijkheid eindelijk de ruimtetelescoop James Webb gelanceerd. Die kan veel verder de kosmos inkijken dan voorgangers en dat moet radicaal nieuwe inzichten opleveren. Maar eerst moet James Webb de lange reis zien te overleven.

George van Hal

Kijk, dáár – daar knipperen de eerste jonge sterren al aan en verdrijven het diepe duister dat tot nog toe over de kosmos hing. Even later, het heelal is nog altijd slechts een fractie van zijn huidige leeftijd, raken die eerste sterren gevangen in elkaars zwaartekracht en vormen de eerste sterrenstelsels, de voorlopers van de Melkweg, ons kosmisch thuis.

Zo ongeveer staat het in de astronomische geschiedenisboeken, sinds onder meer ruimtetelescoop Hubble liet zien dat sterren en sterrenstelsels veel langer geleden zijn ontstaan dan werd gedacht. Maar controleren hoe dat gebeurde, is alleen mogelijk als je nog dieper de kosmos in kunt turen. Wie verder kijkt in de ruimte, kijkt namelijk tegelijk terug in het verleden, simpelweg omdat licht afkomstig van zulke plekken er even over doet om ons te bereiken, soms wel miljarden jaren lang.

Geen enkele telescoop kan verder – en dus eerder – kijken dan ruimtetelescoop James Webb, vernoemd naar een voormalig Nasa-directeur. Verder kijken was een grove kwart eeuw geleden een van de belangrijkste verkoopargumenten die astronomen gebruikten toen ze begonnen te dromen over een opvolger voor Hubble.

Vandaag, zaterdag 25 december, is het zover. Dan verlaat hij om naar verwachting 13.20 uur eindelijk de aarde, vanaf de Esa-lanceerbasis in Kourou, Frans Guyana. De culminatie van, zo schat Nasa, 40 miljoen werkuren, geleverd door duizenden ingenieurs, wetenschappers en technici uit veertien landen.

‘Webb gaat ons straks radicaal nieuwe inzichten bezorgen over het heelal’, zegt sterrenkundige Ewine van Dishoeck (Universiteit Leiden), sinds 1998 nauw betrokken bij de wetenschappelijke ontwikkeling van de nieuwe telescoop. Ze verheugt zich op de onverwachte dingen die hij gaat zien. ‘Dankzij de enorme sprong in gevoeligheid en scherpte, ga je met Webb zeker ontdekkingen doen die als een verrassing komen.’

Technologisch huzarenstukje

Om de diepste regionen van de kosmos te kunnen zien, moet Webb een technologisch huzarenstukje leveren. Zo beschikt de telescoop over een extreem gladde en dus nauwkeurige spiegel, die het licht straks geraffineerd uit de kosmische diepte kan plukken. Rek de spiegel – echte diameter: 6,5 meter – uit tot formaatje Europa en de grootste oneffenheid is slechts zo dik als een luxe hardcoveruitgave van de Lord of the Rings-trilogie.

En er is meer. Licht dat diep uit de kosmos komt, arriveert op aarde als infraroodstraling, beter bekend als warmtestraling. Lastig, want alles – van de aarde, tot ruimtetelescoop Webb zelf – zendt zulke warmtestraling uit. Vandaar dat de bouwers de telescoop na lancering zo’n anderhalf miljoen kilometer diep het heelal in zenden. Daar is het heel koud, zodat de straling afkomstig van het instrument verstomt.

Webbs eindbestemming is bovendien een zogeheten lagrangepunt (L2, voor intimi), een locatie in de ruimte waar in dit geval de zon en aarde even hard aan de telescoop trekken. En, belangrijker nog: de maan, aarde en zon liggen allemaal aan dezelfde kant van Webb. Daardoor kan hij de kakofonie van storende straling verstoppen achter een zonneschild met formaat tennisveld.

Zou de telescoop op de aarde staan, dan zou hij daardoor gevoelig genoeg zijn om de warmtestraling van een hommel te meten op het oppervlak van de maan. Genoeg om óók die paar lichtstralen van het vroegste heelal te vangen.

Mooi dus, zo’n schild, een primeur bovendien, maar het is ook een van de grootste risico’s van de missie. Het is gemaakt van flinterdun, vederlicht, glanzend plastic, dat nog het meest weg heeft van de binnenzijde van een zak chips en dat relatief gemakkelijk scheurt. Gaat bij het uitrollen van dat schild in de ruimte straks ook maar iets mis, dan is de peperdure ruimtetelescoop – totale kosten: 10,4 miljard euro – misschien direct waardeloos.

‘Helemaal gerust ben ik pas als Webb straks op z’n plek staat, de spiegel is uitgeklapt, het schild is uitgerold en de eerste gegevens zijn verzameld’, zegt Van Dishoeck. Of zoals astrofysicus en Nobelprijswinnaar John Mather, al 25 jaar hoofd van het James Webb-project, het zei tegen de populairwetenschappelijke website Quanta Magazine: ‘We hebben keihard gewerkt om alle fouten te voorkomen, te testen en elk scenario te oefenen. En nu gaan we deze ziljoen dollar kostende telescoop op een stapel explosief materiaal binden en duimen dat het allemaal goed gaat.’

Lancering vanaf de eerste rij

Wanneer dat gebeurt, zit ruimtevaartingenieur Peter Rumler, projectmanager van Webb bij Esa, op de eerste rij van de controlekamer in Kourou, met uitzicht op het lanceerplatform tussen de bomen. Spannend wordt dat, zei hij vorige week telefonisch vanuit Frans Guyana, maar op deze dag zelf hoopt hij toch vooral te genieten.

Tot zeven minuten voor lancering kunnen zijn collega’s het moment van vertrek nog uitstellen – iets dat in de ruimtevaart geregeld gebeurt. Ook bij Webb is dat een reëel scenario. Met zo’n duur apparaat wil immers niemand risico nemen. ‘Maar zodra die laatste zeven minuten wegtikken, stop je alleen nog als er iets echt flink mis dreigt te gaan.’

Een test van het schild is succesvol afgerond. Beeld NASA/Chris Gunn
Een test van het schild is succesvol afgerond.Beeld NASA/Chris Gunn

Veel verwacht Rumler op deze dag niet te hoeven doen. ‘Het zwaartepunt ligt voor mij in het voortraject.’ Op de lanceringsdag ontvangt hij daarom gasten, oud-collega's met wie hij de afgelopen vijftien jaar heeft samengewerkt, die komen kijken hoe ‘hun’ Webb, opgevouwen in het bovenste stuk van de neus van een Europese Ariane 5-raket, de aarde definitief verlaat. ‘Als hij straks los is van het lanceerplatform, en alles goed verloopt, dan barst ons feestje los. Daar kun je op rekenen’, zegt hij lachend.

De lancering markeert voor de telescoop de start van een vijf- tot tienjarige missie om de diepste geheimen van de kosmos te ontsluieren, maar voor Rumler (62) is het moment vooral het begin van het einde van zijn decennialange carrière bij Esa. ‘Op je 63ste ga je hier al met pensioen.’

Na de lancering volgt de reis van een een maand naar Webbs eindbestemming en daarna nog vijf maanden van openklappen en testen. Het zal een halfjaar zijn van in de zenuwen zitten. Van hopen, bovendien, dat niets misgaat bij het ontvouwen van het technologisch origamiwerkje dat Webb na lancering nog is. Maar hoe het ook afloopt: voor Rumler is het z’n laatste kunstje in dienst van de Europese ruimtevaart.

Ruimtevaartprojecten zijn altijd een kwestie van de lange adem, maar Webb was in alle opzichten van de buitencategorie. Rumler raakte er in 2004 bij betrokken, toen Esa de opdracht kreeg om twee meetinstrumenten te bouwen voor de telescoop en om de lancering te verzorgen. Van het team met vijftien collega’s dat destijds aan die klus begon, is nu alleen hij nog over. De twee Europese meetinstrumenten zijn al sinds 2014 af.

Dat betekent niet dat er daarna niets meer te doen was. Rumler, die al die tijd vanuit Estec in Noordwijk werkte, vloog geregeld naar de Verenigde Staten om de ontwikkeling van de telescoop in goede banen te helpen leiden.

‘In 2015 werd James Webb bij Nasa in Washington voor het eerst in elkaar gezet, inclusief onze instrumenten’, zegt hij. Ook werd de telescoop toen voor het eerst gekoeld tot 233 graden onder nul, de temperatuur die hij straks in de ruimte heeft. Dat afkoelen gaat heel langzaam en voorzichtig om ijsvorming of barstende instrumenten te voorkomen. Een rondje testen kostte op die manier al snel een maand of vier.

In die periode werd ook de spiegel in elkaar gezet, opgedeeld in twaalf opvouwbare zeshoeken, omdat je een spiegel van 6,5 meter niet in één stuk de ruimte in kunt schieten. Er volgden vibratietests, om te bepalen of alles bij lancering op z’n plek zou blijven, nog meer koude tests – waarvoor Nasa in Houston een speciale kamer inrichtte als reusachtige vrieskist. En natuurlijk: er volgde tegenslag.

‘Ik herinner me nog goed dat in 2017 orkaan Harvey over Houston trok’, zegt Rumler. De hele stad liep onder water, maar bij Webb maakte men zich zorgen over een andere vloeistof: ijskoud stikstof. Zou dat koelmiddel opraken, dan zou de telescoop te snel opwarmen en daardoor kapotgaan. Stikstofleveranciers reden daarom in hun vrachtwagen dwars door de overstroomde stad om het miljardenproject te redden. ‘Uiteindelijk ging het goed en bleef alles heel’, zegt hij.

Toch bleven er dingen misgaan. Schroefjes van het zo essentiële zonneschild lieten tijdens een vibratietest los. En bij een andere test ontstonden zelfs scheurtjes in dat schild. ‘Alles bij elkaar duurde het testen jaren, veel langer dan gedacht’, zegt Rumler. En de kosten liepen alsmaar op. Alleen elke extra maand in de cleanroom kostte al een grove 10 miljoen. ‘Toch was ik met het uitstel vooral blij. Je wilt problemen op de grond oplossen, want in de ruimte kan het niet meer.’

Met ‘sneeuw’ van kooldioxide wordt een proefspiegel van de James Webb-telescoop gereinigd.  Beeld NASA/Chris Gunn
Met ‘sneeuw’ van kooldioxide wordt een proefspiegel van de James Webb-telescoop gereinigd.Beeld NASA/Chris Gunn

Dat geldt altijd in de ruimtevaart, maar dubbel zo sterk voor Webb. Waar bijvoorbeeld Hubble na lancering nog gerepareerd kon worden door astronauten, staat zijn opvolger straks anderhalf miljoen kilometer van hier, ver buiten het bereik van astronautenhandschoenen.

Dat legde extra druk op het voortraject, zegt Rumler. ‘En dan is dit ook nog eens een ontzettend complex ding.’ Webb bevat veertig onderdelen die opvouwen voor lancering en die in de ruimte weer moeten ontvouwen. Bovendien zitten er 170 bewegende onderdelen in, inclusief extreem precieze motortjes die de spiegels kunnen verstellen in stapjes zo klein als de helft van een coronavirus.

‘Vroeger bouwden we kathedralen waar geestelijken in konden werken. En James Webb is een wetenschappelijke kathedraal’, zegt hij. ‘Wij hebben hem gebouwd, klaargemaakt voor lancering en – hopelijk –in één stuk afgeleverd. Maar straks moeten de astronomen het stokje overnemen en de resultaten leveren. Ik kan niet wachten om te zien waarmee ze komen.’

Verre werelden, in ongekend detail

Een ‘enorme sprong vooruit’ verwacht astrofysicus Mariska Kriek (Universiteit Leiden) van de telescoop waarmee ze straks véél dieper het heelal in kan turen dan met voorganger Hubble ooit mogelijk was. Zag Hubble tot 500 miljoen jaar na de oerknal, daar ziet James Webb het heelal volgens de meest optimistische schattingen straks zoals het er 50 tot 100 miljoen jaar na het begin bij stond. ‘Al denk ik zelf dat 250 miljoen jaar na de oerknal realistischer is. Hoe dan ook zit de verbetering vooral in de veel grotere hoeveelheid details die je van heel verre, zeer jonge sterrenstelsels kan zien.’

Kriek wil met het instrument, waarop ze al waarneemtijd heeft gekregen, kijken naar dat soort stelsels. ‘Ik wil in kaart brengen hoe de sterren in zulke stelsels bewegen. Welke chemische bestandsdelen aanwezig zijn. Dat zijn aanwijzingen voor hoe zulke stelsels ontstaan zijn’, zegt ze.

En ja: ook zij is benieuwd met welke verrassingen de telescoop straks komt. ‘We gaan hier heus niet iets totaal nieuws mee vinden, een astronomisch object dat nog niemand kende. Maar we gaan zeker tegen bijzondere dingen aanlopen.’

Het optische deel van de telescoop is gereed en wordt klaargezet voor bevestiging aan het ruimtevaartuig.  Beeld NASA/Chris Gunn
Het optische deel van de telescoop is gereed en wordt klaargezet voor bevestiging aan het ruimtevaartuig.Beeld NASA/Chris Gunn

Wat Webb sowieso gaat doen, is kijken naar exotische verre werelden. Aan de Universiteit van Amsterdam staat astronoom Jean-Michel Desert daarom te popelen om met Webb aan de slag te gaan. Ook hij is een van de gelukkigen die nu al weet dat hij waarnemingen mag doen met de telescoop. ‘Ik ga kijken naar de atmosferen van gasreuzen, planeten vergelijkbaar met Jupiter en Saturnus in het zonnestelsel’, zegt hij. Want wie de ingrediënten kent, zo luidt de gedachte, kan hopelijk ook reconstrueren hoe de taart ooit werd gebakken.

‘Door naar dit soort verre planeten te kijken, kijken we ook naar onszelf’, zegt hij. Je kunt op die manier bepalen of ons zonnestelsel uitzonderlijk is, bijvoorbeeld, of meer een kosmisch vinexwijkje, een bescheiden variatie op een thema dat je op talloze locaties kunt treffen. Desert richt de telescoop daarom straks op verre planeten die nog maar een jaar of 25 miljoen zijn – piepjong, in vergelijking met de 4,5 miljard van de aarde. ‘De taart is dan bij wijze van spreken pas net uit de oven’, zegt hij.

En de ruimtetelescoop kan hopelijk nog veel meer onthullen over verre planeten. Hoe het weer er is, bijvoorbeeld. ‘We hopen zelfs biomarkers te vinden’, zegt Desert, doelend op chemische stoffen in een planeetatmosfeer die kunnen duiden op de aanwezigheid van buitenaards leven. Een stof als methaan, bijvoorbeeld, dat op aarde voor ruim 90 procent afkomstig is van biologisch leven. Het wordt hier onder meer gemaakt door eencelligen, koeien en ook mensen.

James Webb kan zo’n handtekening overigens nog niet vinden bij planeten van formaat aarde, maar wel bij the next best thing: superaardes, werelden die qua formaat tussen de aarde en gasreus Neptunus in zitten. Ook op zulke plekken is het denkbaar dat ergens leven is ontstaan.

Het definitieve bewijs gaat dat overigens niet opleveren. ‘Zo’n meting kan eigenlijk óók altijd een alternatieve verklaring hebben’, zegt Desert. Maar zelfs als we alleen maar mogen dromen over leven op een andere planeet, is dat al bijzonder, vindt hij.

Desert kan niet wachten om te ontdekken wat Webb de mensheid allemaal gaat tonen. ‘Ik heb nog nooit meegemaakt dat we zó’n bijzondere en krachtige telescoop lanceerden’, zegt hij. ‘De komende jaren worden voor de sterrenkunde ongekend spectaculair.’

Hoe Webb een Nederlands tintje kreeg

Wanneer ruimtetelescoop James Webb de diepte van het heelal in kijkt, doet hij dat niet als puur Amerikaans product. Sterker nog: de telescoop heeft zelfs een bescheiden rood-wit-blauw tintje.

Natuurlijk: Amerika heeft het merendeel van het werk geleverd en de meeste rekeningen betaald. Leg de budgetten naast elkaar en het verschil is meteen duidelijk. Nasa was aan de telescoop omgerekend een grove 9,5 miljard euro kwijt, de Europese Esa zo’n 700 miljoen en Canada als derde partner nog eens 140 miljoen.

Nederland droeg 10 miljoen meer bij dan op basis van de standaard Esa-bijdrage had gemoeten. ‘Maar met die 0,1 procent van de totale kosten hebben we een behoorlijke stempel op de missie kunnen drukken’, zegt astronoom Ewine van Dishoeck.

De reden daarvoor is Miri (Mid InfraRed Instrument), een camera en spectrometer die zodanig gevoelig is dat hij vanaf aarde een kaars zou kunnen zien branden op een maan van planeet Jupiter. Op de telescoop kijkt hij straks diep het kosmisch verleden in én kan hij, dichter bij huis, door dichte kosmische stofwolken kijken en de gebieden blootleggen waar ook nu nog sterren worden geboren.

In 2012 was Miri af, als eerste van de vier meetinstrumenten van de telescoop – op tijd, en binnen budget. En hoewel het apparaat een internationale coproductie was, is alle aanwezige optica honderd procent made in Holland. ‘Het is in Dwingeloo gebouwd door de Nederlandse Onderzoekschool Voor Astronomie’, zegt Van Dishoeck, die de leiding had over dat vaderlandse deel. ‘Dat Nederlandse vakwerk zit straks op de belangrijkste ruimtetelescoop ter wereld. Daar mogen we heel trots op zijn.’

De ‘nieuwe’ Hubble?

Nasa en Esa noemen ruimtetelescoop James Webb de beoogd opvolger van ruimtetelescoop Hubble, maar wetenschappelijk gezien is Webb eerder de opvolger van voormalige ruimtetelescopen als Spitzer van Nasa, ISO (Infrared Space Observatory), en Herschel van Esa. ‘Die keken ook in het infraroodgebied naar het heelal’, zegt astronoom Ewine van Dishoeck. Ze waren wel een stuk kleiner, met spiegels van respectievelijk 85 centimeter, 60 centimeter en 3,5 meter.

Logisch dus, dat men Webb liever vergelijkt met dat ándere peperdure paradepaardje in de ruimte. En net zoals Hubble ons al decennialang betovert met oogstrelende beelden die niet zouden misstaan in een museum vol abstracte kunst gaat ook Webb mooie foto's maken, verwacht Van Dishoeck.

Sterker nog: de telescoop kan straks de ultieme versie schieten van een Hubble’s beroemdste foto’s: het indrukwekkende Deep Field. Daarin zie je duizenden kleine vlekjes, stuk voor stuk sterrenstelsels die relatief kort na de geboorte van het heelal zijn ontstaan. ‘Dat beeld maakt de duizelingwekkende diepte van het heelal in één klap zichtbaar, en Webb kijkt straks nog véél dieper’, zegt Van Dishoeck.

Met die mooie beelden deed Hubble niet alleen dienst als wetenschappelijk instrument, maar was ook van grote waarde als pr-machine. Astrofysicus Mariska Kriek verwacht dat Webb die rol ook kan overnemen. ‘En dan niet alleen met mooie plaatjes’, zegt ze. ‘Ik denk dat de telescoop veel goed uitlegbare ontdekkingen gaat doen, die de media gaan halen.’

De opvolger van Webb

Hoewel ruimtetelescoop James Webb zijn eerste meting nog moet doen, kijken astronomen desondanks óók alvast naar de toekomst. In de zogeheten ‘decadel survey’, een 614 pagina’s lang document waarin de sterrenkundige wensen en prioriteiten voor de komende tien jaar staan opgesomd, speelt de opvolger van Webb een hoofdrol. Prijskaartje opnieuw een slordige 11 miljard.

‘Je weet dat het een jaar of dertig kost vanaf het eerste concept om zo’n telescoop te ontwikkelen’, zegt astronoom Ewine van Dishoeck. ‘Als je halverwege de jaren veertig een nieuwe supertelescoop wil lanceren, moeten de eerste plannen dus nú al op de tekentafel liggen.’

Dat onderschrijft ook Jean-Michel Desert. ‘Eén van de belangrijkste vragen in de astronomie is de komende jaren: wat is de plek van de aarde in de kosmos?’, zegt hij. Is de aarde een unieke blauwe knikker, een zeldzame oase vol leven, of een alledaags kosmisch verschijnsel, een plek waarvan in de uitgestrekte ruimte talloze voorbeelden dobberen?

‘Ik zou zelf bijvoorbeeld héél graag een foto willen maken van een aarde-achtige planeet’, zegt Desert. Zodat we ons evenbeeld elders, diep in het duister van het heelal, met eigen ogen kunnen aanschouwen.