Webbův vesmírný teleskop: Unikátní přístroj za stamiliardy bude pátrat po prvních hvězdách

Temnota. Totální a naprostá. Takovou zažije málokdo z nás. Možná hluboko v nějaké jeskyni, ve sklepě, když vypnou proud. Ale zpravidla odněkud přichází slabý jas. Ani noční obloha nikdy není skutečně temná, a nejenom kvůli nějaké té hvězdě.

A tak je obtížné si představit dobu, kdy všude vládla temnota. Mohli byste cestovat kterýmkoli směrem miliony let a absolutně nic nevidět. Tak popisují astronomové „temný věk“ vesmíru, dobu, než se zažehly první hvězdy. A brzy nám tuto dobu chtějí ukázat, lépe řečeno jak tato doba skončila – a jak se kosmos začal plnit světlem. Poslouží k tomu největší teleskop odeslaný ze Země: Vesmírný teleskop Jamese Webba (JWST). Nástupce legendárního Hubbleova teleskopu se podívá ještě dále do vesmíru a tedy i dále do minulosti.

Může přepsat dějiny vesmíru. Teleskop Jamese Webba se vydal ke hvězdám, co bude zkoumat?

Zrcadlo s průměrem 6,5 metru a čtyři supercitlivé přístroje budou vždy několik dní pozorovat velmi úzký bod oblohy a pátrat po světle, které rozlehlostí vesmíru putovalo i víc než 13,5 miliardy let.

„Budou to jen červené flíčky,“ popisuje astrofyzik John Mather, nositel Nobelovy ceny a jeden z vedoucích projektu JWST. „Myslíme, že hvězdy, galaxie či černé díry by se měly objevovat sto milionů let po Velkém třesku. Moc jich z toho času nalézt nepůjde, ale Webbův teleskop je uvidí, pokud tam jsou a budeme mít štěstí,“ uvedl pro BBC.

Ale k čemu to vše je? Deset let návrhů, dvacet let stavění a testování, a víc než deset miliard dolarů (kolem čtvrt bilionu korun)? Jen abychom detekovali nějaké slaboučké červené flíčky na obloze? Vlastně jde o odpovídání na nejzákladnější otázku: Kde jsme se tu vzali?

„Jelikož je rychlost světla omezená, James Webb je jako stroj času: Uvidíme ty daleké věci, jak vypadaly, když od nich před mnoha miliardami lety vyrazily první světelné paprsky,“ popisuje vědecký korespondent BBC Discovery Jonathan Amos. „S Hubblem jsme zachytili tajemné záblesky prvních shluků hvězd, předchůdců galaxií, z nějaké půlmiliardy let po Velkém třesku. Pokud se vše podaří, Webb to posune ještě dál, až ke zrodu prvních hvězd.“

Velký třesk a vznik prvků

Velký třesk proběhl před 13,8 miliardami let – k těmto propočtům přispěla pozorování Hubbleova teleskopu, například rozpínání vesmíru. Když se Velkým třeskem zformoval vesmír, obsahoval jen vodík, helium a špetku lithia – tři nejlehčí prvky, s jedním, dvěma, respektive třemi protony. Všechny další prvky periodické soustavy prvků se teprve musely vytvořit v hvězdách jadernými reakcemi, díky nimž Slunce a všechny ostatní září – a také v mocných explozích, jimiž některé završují svou existenci. Jsme tu jen díky tomu, že první hvězdy a jejich následnice zasely po vesmíru hmotu, jež vše tvoří.

„Mise Webbu je o utváření všeho – o tom, že jsme všichni z hvězdného prachu,“ říká Rebecca Bowlerová, astronomka z Oxfordské univerzity a z týmu, který je na Webbově teleskopu odpovědný za přístroj NIRSpec. „Je to o utvoření vůbec prvního atomu uhlíku. Přijde mi naprosto úžasné, že bychom skutečně mohli tento proces pozorovat,“ řekla pro BBC.

O prvních hvězdách toho moc nevíme. Můžeme zadat fyzikální zákony do počítačových modelů a z výsledků získat jakýsi dojem, jak to mohlo v počátcích vypadat. První hvězdy mohly podle současných odhadů být stokrát až tisíckrát hmotnější než Slunce. „Čím větší hvězda, tím rychleji spálí své palivo. A tak tyto rané hvězdy nejspíš mohly vydržet maximálně tak milion let,“ dodává Marcia Riekeová, hlavní výzkumnice pro přístroj NIRCam na Webbu. Zato naše Slunce už září nějakých pět miliard let a stejně tolik ještě asi bude.

Nový teleskop ale ani zdaleka nemá takto úzké zadání, naopak. Bude pozorovat cokoliv, co bude možné: Od ledových měsíců a komet ve sluneční soustavě po kolosální černé díry, které se zřejmě nacházejí ve středu všech galaxií. Také by měl dobře zvládat pátrat po planetách kolem jiných sluncí.

„Přinese úžasně krásné obrázky. A to díky velkým detektorům, o mnoha megapixelech, takže můžeme pokrýt relativně velký výsek oblohy. Také máme mnoho různých filtrů, pro výběr konkrétních vlnových délek světla. Budeme se tak moci soustředit třeba na horké hvězdy, chladné hvězdy, modré objekty, červené objekty… Uvidíme galaxie napříč celým vesmírem, od současnosti až po miliardy let v minulosti, a proto budou vypadat odlišně, protože se s věkem mění,“ popsal pro BBC Mark McCaughrean, britský astronom pracující na projektu už 23 let v rámci Evropské kosmické agentury (ESA). „Lidé mohou očekávat naprosto velkolepé obrázky, a velmi ostré, Webb je skoro třikrát větší než Hubble, a budou to úchvatné barvy, ale v jiné vlnové délce než z Hubbleu.“

Hýbe kometami neznámá planeta za Plutem? Český astronom věří v černou díru

Zatímco Hubble zachytává (lidským okem) viditelné světlo, Webb je naladěný na větší vlnové délky, od viditelné červeného světla po infračervené záření střední vlnové délky (0.6–28.3 μm). Je to kvůli efektu zvanému rudý posuv – když se pozorovatel a zdroj světla, respektive každého elektromagnetického záření oddalují, jeho vlnová délka se prodlužuje. Modré světlo zezelená, žluté zčervená… a červené se stane infračerveným zářením. Vědce teď zajímá to záření, jehož zdroj se nejvíc oddálil, a to rozpínáním vesmíru. Tedy to infračervené.

Toto záření je vlastně teplo. „Infračervený teleskop pozoruje teplo. A abychom viděli to extrémně nízké teplo, musíme ho chladit na extrémně nízké teploty, aby se sám teleskop nestal zdrojem tepla – jako byste v peci hledali světlo zápalky. Daleko ve vesmíru ho můžeme ochladit na -250 °C,“ říká astronom McCaughrean. Proto také bude teleskop stále ve stínu Země, čtyřikrát dál než Měsíc, v tzv. Lagrangeově bodu.

Zlaté zrcadlo dalekohledu

Od zaměření dalekohledu se odvíjí i jeho vzhled: „U teleskopů pro viditelné světlo chcete, aby zrcadlo odráželo stejně všechny barvy, tak bude typicky z hliníku či stříbra. Ale Webb je zaměřen na infračervené záření, a proto má zrcadlo potažené zlatem, které viditelné světlo různých barev odráží odlišně, ale různé infračervené vlnové délky stejně,“ vysvětluje McCaughrean..

Zlato je ale jen povrchová vrstva, pouhých několik atomů silná. Zrcadlo je z beryllia -  lehkého kovu, který si drží tvar i v ohromně nízkých teplotách. Tak velké zrcadlo z jednoho kusu by nešlo současnými raketami do vesmíru poslat, tak se skládá z 18 segmentů.

Po startu následuje neskutečných 344 kritických bodů, každý jeden neúspěch může zhatit celou misi. Rozevřít solární panely a radiovou anténu, to je pro kosmické mise docela rutina. I rozkládání složeného zrcadla je praxí ozkoušený postup. Ale Webbův teleskop má jedinečný tepelný kryt. Pět vrstev supertenkého plastu se rozbalí na velikost tenisového kurtu, a to za pomocí osmi motorků, stovek mechanismů a 90 kabelů dohromady o délce 400 metrů. „Každý si uvědomuje, že rozložit tuto ohromnou věc v kosmu je největším problémem, protože je to nová věc a obtížně se testuje na Zemi. Museli jsme to trénovat a trénovat a trénovat a mnohokrát jsme pozměňovali design, ale pořád jsme z toho všichni nervózní,“ popsal John Mather. Někteří to přirovnávají ke skládání origami naopak. A nic se nesmí ohnout, zmačkat, zaseknout…

U přistávání sond na Marsu se vžil pojem „sedm minut hrůzy“, kdy brzdí o atmosféru a musejí provést nejrůznější úkony – a řídicí středisko nemůže nijak zasáhnout. Tady zasáhnout do jisté míry půjde, ale hrůzy budou dva týdny. „Můžeme observatoří zatřást sem a tam, můžeme ji otáčet kolem kterékoli osy, můžeme ji různě orientovat vůči Slunci, aby se určitá část zahřála,“ popsal BBC pár možností, jak postupovat při problémech, šéf těchto operací z NASA Alphonso Stewart. Ale jestli se až ve vesmíru ukáže, že inženýři někde udělali chybu…

K čemu raketoplán vezl do vesmíru obří „brýle“? Hubbleův teleskop šilhal

Hubbleův teleskop, stejně ambiciózní a náročný projekt předchozí generace, takovou vadu měl. Sotva ho raketoplán Discovery roku 1990 vynesl na oběžnou dráhu Země a experti spustili ostrý provoz, zjistili, že nemá ostrý obraz. Zrcadlo bylo nesprávně vyleštěné. Hubble ale byl velmi specifickým přístrojem, zkonstruovali ho pro průběžné opravy a inovace. Astronauti tak při další misi nainstalovali cosi jako brýle – a zrcadlo najednou sloužilo perfektně.

Pokud se něco pokazí u Webbu, moc možností nápravy nebude. A to nejen kvůli jeho vzdálenosti. Zejména totiž není pro opravy navržen; jen možná bude lze prodloužit životnost, když mu bezpilotní kosmická loď doveze palivo, aby se mohl dál udržovat ve správné poloze a umístění.

A tak se aspoň týmy připravovaly, jak mohly. Teleskop se testoval na stejném simulátoru vesmírných podmínek, jaký používaly už kosmické lodě i astronauti programu Apollo. „Je to ohromná a komplexní observatoř, která navíc musí pracovat v extrémně nízkých teplotách, a tak ji nemůžete jen tak složit a pak otestovat. Všechno se vloží do tepelně izolovaných obalů a testuje se to od nejmenších součástek, které pak skládáte do sebe a zase v každé fázi testujete. A jak to roste, přestává být možné se vracet, když najdete problém, dejme tomu, na některém detektoru,“ popsal Mark Clampin z vedení Goddardova centra NASA, který na vývoji teleskopu pracoval přes dvě desetiletí.

Otázka za deset miliard dolarů

A co ty náklady? Vyplatí se taková doslova astronomická investice? Dvacet let budování, start a pět let provozu vycházejí na víc než 10 miliard dolarů. Zasvěcení doufají, že ještě dodatečných pět let teleskop bude sloužit, pochopitelně s dalšími náklady. Náklady jsou velmi podobné na Hubbleův teleskop: Přepočteno na současné ceny stál jeho vývoj, konstrukce, vynesení na oběžnou dráhu a první oprava sedm miliard dolarů, provoz do dnešní doby a čtyři další opravy a vylepšení vyšly na stejně tolik. Slouží podstatně déle, než se NASA odvažovala doufat, i deset let od poslední opravy dál fungují všechny čtyři jeho přístroje a ještě pár let by fungovat mohly. A to, co nám Hubble ukázal o vesmíru a našem místě v něm, včetně odpovědí na otázky, které před ním ještě ani vědci nedokázali pokládat – to vše se jeví jako dobrý výsledek investic. Jeho nástupce nejspíš tak dlouhou dobu fungovat nevydrží, počítá se s pěti lety a možným prodloužením na dvojnásobek; vyplatí se i tak?

„Jen Evropa utratila na Jamese Webba 700 milionů eur (17,6 miliardy korun),“ říká někdejší projektový manažer ESA Peter Jensen. „Ale přepočteno na obyvatele to odpovídá jednomu levnému kafi v levné kavárně,“ dodává.