Podróż do początku wszechświata

Następca teleskopu Hubble´a James Webb Space Telescope (JWST) został
zaprojektowany tak, by oglądać początki wszechświata. Będzie więc on mógł
dostrzec wybuchy pierwszych gwiazd sprzed 13,5 mld lat oraz badać narodziny
galaktyk. Zajrzy również w głąb galaktycznych obłoków gazu i pyłu.

Rozwój techniki rakietowej i technologii kosmicznych, który umożliwia
wyniesienie aparatury badawczej poza atmosferę ziemską, radykalnie zwiększył
możliwości badania wszechświata. Badania te są prowadzone w różnych kierunkach,
takich jak na przykład: badanie Układu Słonecznego, poszukiwanie pozasłonecznych
systemów planetarnych czy pomiary przy pomocy sondy kosmicznej Planck,
mikrofalowego promieniowania reliktowego tła, docierającego z największej
możliwej odległości (13,7 mld lat świetlnych), wyznaczającej promień
obserwowalnego wszechświata, mającego postać kuli, w której centrum znajduje się
Ziemia. Największe zainteresowanie i emocje wzbudzają jednak loty załogowe w
kosmos oraz obserwacje optyczne przy pomocy teleskopu kosmicznego skraju
obserwowalnego wszechświata. Przyjrzyjmy się, czego możemy oczekiwać w
najbliższej przyszłości w tych dwóch obszarach badań – bliskiego i dalekiego
kosmosu.

Amerykański program lotów załogowych
14 stycznia 2004 r. prezydent George W. Bush przedstawił nowy program załogowej
eksploracji kosmosu przez Stany Zjednoczone, który później nazwano programem
Constellation (konstelacja, gwiazdozbiór). Program ten zakładał eksploatację
wahadłowców (promów kosmicznych) tylko do 2010 r., zbudowanie statku kosmicznego
umożliwiającego loty poza niską orbitę okołoziemską (w sierpniu 2006 r. statkowi
temu nadano nazwę "Orion"), powrót człowieka na Księżyc w 2020 r., zbudowanie po
2020 r. stałej międzynarodowej bazy na Księżycu, a w dalszej perspektywie lot na
planetę Mars.
Program Constellation opierał się na kilku podstawowych założeniach:
– nowy system transportu kosmicznego musi mieć rozdzielone funkcje transportu
ludzi i ładunków,
– transport ludzi na orbitę okołoziemską musi być dziesięciokrotnie
bezpieczniejszy niż przy pomocy wahadłowców,
– przy budowie nowego systemu transportu kosmicznego w maksymalnym stopniu
należy wykorzystać infrastrukturę naziemną i technologie stosowane w programie
wahadłowców (Space Shuttle),
– statek kosmiczny Orion, który ma odbywać loty poza orbitę okołoziemską, nie
może mieć formy samolotu kosmicznego, lecz formę powiększonej kapsuły podobnej
do statków Apollo,
– Orion ma umożliwić dotarcie czterem astronautom na powierzchnię Księżyca.
W celu spełnienia tych wymogów NASA projektowała budowę dwóch rakiet Ares 1 i
Ares 5. Dwustopniowa rakieta Ares 1 miała służyć wyłącznie do transportu ludzi w
statku Orion na niską orbitę okołoziemską. Gigantyczna rakieta Ares 5 miała
natomiast służyć głównie do transportu ładunków. Zakładano, że będzie ona w
stanie umieścić na orbicie okołoziemskiej ładunek o masie do 170 ton (rakieta
Ares 1 – tylko 25 ton). Oczekiwano, że przy pomocy jednej rakiety Ares 1 i
jednej rakiety Ares 5 czterech astronautów odbędzie w latach dwudziestych tego
wieku podróż na Księżyc. Natomiast przy pomocy ośmiu do dziesięciu rakiet Ares 5
i jednej Ares 1 za dwadzieścia kilka lat być może czterech astronautów odbędzie
kilkuletnią podróż na Marsa.
W czterdziestą rocznicę pierwszej wyprawy ludzi statkiem Apollo 11 na Księżyc
oceniono, że mimo pewnych problemów technicznych amerykański program powrotu
ludzi na Księżyc jest realny i rozsądny (patrz artykuł Jacyna-Onyszkiewicz
"Człowiek wraca na Księżyc", "Nasz Dziennik", sobota-niedziela, 25-26 lipca 2009
r.) jako najbardziej naturalny krok w rozwoju kosmicznych lotów załogowych.
Administracja nowego prezydenta USA Baracka Obamy zadecydowała o powołaniu
specjalnej komisji, która miała ocenić w szczególności program załogowy NASA.
Komisja ta, o oficjalnej nazwie United States Human Space Flight Plans Committee,
pracowała od czerwca do października 2009 r. i otrzymała nieformalną nazwę
komisji Augustine.
Wyniki prac komisji Augustine ogłoszono pod koniec października 2009 roku.
Okazało się, że program Constellation nie jest możliwy do zrealizowania przy
zakładanym poziomie finansowania. Co więcej, wyliczenia wykazały, że proponowany
poziom finansowania pozwoli na pierwszy lot na srebrny glob nie w roku 2020,
lecz dopiero po 2030 r. przy jednoczesnym wyraźnym ograniczeniu rozwoju
technologii oraz misji bezzałogowych. Ponadto Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS),
największy zrealizowany projekt międzynarodowy w historii, zakończyłaby swój
żywot już w 2015-2016, po czym przez następne półtorej dekady loty załogowe
straciłyby swój cel.
W tej sytuacji komisja Augustine postanowiła przeanalizować alternatywne opcje
rozwoju amerykańskiej astronautyki załogowej. Wśród nich znalazł się pomysł tzw.
Flexible Path (elastyczna ścieżka) – czyli lotów do wielu różnych celów, które
początkowo nie wymagałyby skomplikowanych, ciężkich i drogich systemów
technicznych. Pierwszymi celami dla tej strategii byłyby bliskie Ziemi
planetoidy oraz orbita geostacjonarna. W porównaniu z Księżycem te cele wydają
się mało atrakcyjne, jednak pozwalają one na stopniowe zdobywanie praktycznej
wiedzy i rozwój technologii. Ponadto lot do tych celów nie wymaga budowy bardzo
drogiego lądownika księżycowego Altair, co oznacza bardziej zbilansowany budżet,
niewymagający nakładów na wszystkie elementy projektu w tym samym czasie.
Na podstawie wniosków komisji Augustine szef NASA Charles Bolden przedstawił 31
stycznia 2010 r. nowy program lotów załogowych prezydenta Obamy. Jego
najważniejsze elementy to:
– anulowanie w całości z dniem 1 lutego 2010 r. programu Constellation,
– przedłużenie obecności na orbicie okołoziemskiej ISS przynajmniej do 2020 r.,
– powierzenie lotów załogowych i transportowych do ISS firmom prywatnym (np.
firmie SpaceX).

Powrót na Księżyc jeszcze nie teraz
15 kwietnia 2010 r. prezydent Barack Obama odwiedził Kennedy Space Centre na
Florydzie, gdzie wygłosił ważne przemówienie na temat przyszłości NASA.
Zaprezentowana przez prezydenta USA wizja rozwoju odpowiadała wspomnianej
strategii "Flexible Path", a celem nadrzędnym pozostawała czerwona planeta,
która zostałaby osiągnięta ok. 2040 roku. Padła również zapowiedź wyprawy do
bliskiej Ziemi planetoidy w okolicach 2025 roku.
Decyzja prezydenta spotkała się z ostrą i wielostronną krytyką, w tym w
Kongresie USA. Bardzo ostro skrytykował ją Neil Armstrong, pierwszy człowiek,
który wyszedł na powierzchnię Księżyca w lipcu 1969 roku. Komisja Augustine
stwierdziła bowiem, że wystarczyło zwiększyć fundusze NASA tylko o 3 mld USD
rocznie, aby w pełni i w terminie zrealizować program powrotu ludzi na Księżyc,
zaproponowany przez prezydenta Busha.
Po prawie półrocznej batalii, przede wszystkim w Kongresie USA, uzyskano
kompromis. Zamiast budowy dwóch rakiet Ares 1 i Ares 5 planowanych w programie
Constellation, w 2011 r. rozpocznie się budowa jednej rakiety o wielkości
pośredniej o udźwigu na niską orbitę Ziemi nie mniej niż 130 ton (na ten cel w
tym roku budżetowym zaplanowano 1,8 mld USD). Zdecydowano o kontynuowaniu budowy
uniwersalnego załogowego statku kosmicznego Orion (za sumę 1,2 mld USD, wydaną w
tym roku budżetowym), który ma być gotowy w 2016 roku. W 2011 r. zostanie zaś
definitywnie zakończony program lotów wahadłowców.
W ten sposób załamał się amerykański program powrotu ludzi na Księżyc. Szkoda
go, ponieważ niedawno odkryto w kraterach okołobiegunowych Księżyca spore ilości
wody, co znacznie ułatwiłoby budowę i eksploatację na nim stałej międzynarodowej
bazy kosmicznej planowanej pierwotnie w ramach programu Constellation. Cięcia
budżetowe w NASA prawdopodobnie oddalają w czasie także perspektywy załogowego
lotu na Marsa.
Warto zauważyć, że agencje kosmiczne Rosji, Chin, Indii i Europy nie planują, w
przewidywalnej przyszłości, lotów załogowych poza niską orbitę okołoziemską.

Nowy teleskop kosmiczny
24 kwietnia 1990 r. został wyniesiony na orbitę okołoziemską przez wahadłowiec
Discovery kosmiczny teleskop Hubble´a (Hubble Space Telescope – HST), nazwany
tak dla uhonorowania amerykańskiego astronoma Edwina Hubble´a, który dokonał
jednego z największych odkryć XX wieku polegającego na stwierdzeniu w 1929 r.,
że wszechświat się rozszerza.
Od momentu wystrzelenia HST stał się jednym z najważniejszych przyrządów w
historii astronomii. Do najważniejszych odkryć uzyskanych za pomocą HST należą:
– zmniejszenie błędu względnego wieku wszechświata z ponad 50 proc. do 10 proc.,
który to wiek szacowany jest obecnie na 13,7 mld lat,
– udział w największym odkryciu naukowym ostatnich dekad – przyspieszonej
ekspansji wszechświata,
– wykazanie, że masy czarnych dziur w centrach galaktyk są skorelowane z ich
rozmiarami.
HST będzie funkcjonował tylko przez kilka następnych lat, dlatego już od 2002 r.
realizowany jest projekt jego zaawansowanego następcy, nazwanego James Webb
Space Telescope (JWST).
Projekt ten powstaje we współpracy między NASA, Europejską Agencją Kosmiczną (ESA)
oraz Kanadyjską Agencją Kosmiczną (CSA). JWST został zaprojektowany tak, by
oglądać początki wszechświata. Będzie więc on mógł dostrzec wybuchy pierwszych
gwiazd sprzed 13,5 mld lat oraz badać narodziny galaktyk. Zajrzy również w głąb
galaktycznych obłoków gazu i pyłu.
JWST, aby to osiągnąć, musi radykalnie różnić się od HST. Lekkie zwierciadło
JWST o średnicy ponad 6,5 m będzie zbierać sześciokrotnie więcej światła niż
2,4-metrowe zwierciadło HST. Jego 18 powleczonych złotem, sześciokątnych
berylowych paneli będzie działać jak jedna powierzchnia zwierciadlana.
Instrumenty JWST będą działały głównie w zakresie podczerwieni, w zakresie widma
promieniowania niedostępnym dla HST, ponieważ takie promieniowanie jest głównie
emitowane przez najdalsze obiekty kosmiczne.
Instrumenty te muszą być schłodzone do temperatury poniżej minus 230 st. C, aby
umożliwić obserwację obiektów astronomicznych emitujących słabe promieniowanie
podczerwone. W tym celu JWST zostanie także wyposażony w duże wielowarstwowe
osłony termiczne (o rozmiarach 11 x 19 m) blokujące promieniowanie podczerwone
emitowane przez Słońce i Ziemię oraz zostanie umieszczony w odległym od Ziemi
tzw. drugim punkcie Lagrange´a (L2) dla układu Ziemia – Słońce. Warto
podkreślić, że JWST w stanie ciasno złożonym zostanie wystrzelony w kosmos przy
pomocy europejskiej rakiety Ariane 5. Lot sondy do punktu L2 potrwa kilka
miesięcy. W tym czasie teleskop wykona serię manewrów za pomocą własnych
silników korekcyjnych. Podczas lotu na pozycję docelową zostanie wykonana seria
wstępnych testów. Rozłożone zostanie też zwierciadło i termiczna osłona
przeciwsłoneczna. Około 28 dni po starcie temperatura teleskopu spadnie na tyle,
że mogą być wykonane wstępne testy instrumentów.
Ostatecznie JWST zostanie umieszczony w punkcie L2 układu Słońce – Ziemia,
położonym w odległości 1,5 mln km od Ziemi, w kierunku przeciwnym niż Słońce.
Wybrana pozycja jest optymalna do obserwacji w zakresie podczerwieni, ponieważ
znajduje się daleko od Ziemi, obficie promieniującej w podczerwieni i
odbijającej rozproszone światło, a ponadto teleskop zawsze będzie się znajdował
za Ziemią względem Słońca i pole widzenia teleskopu nie będzie zasłaniane przez
Słońce, Ziemię i Księżyc. Kierunek do Słońca i Ziemi będzie zawsze jednakowy,
dzięki czemu termiczna osłona przeciwsłoneczna pozwoli na ich jednoczesne
zasłonięcie.
Czas obiegu wokół Słońca obiektu, który znajdujące się dalej od Słońca niż
Ziemia, normalnie byłby dłuższy niż rok. Jednak suma sił grawitacyjnych Słońca i
Ziemi w L2 sprawi, że JWST będzie nadążał za ruchem Ziemi i znajdował się w
stałej pozycji względem niej. Ułatwi to komunikację z Ziemią, a okresowo pozycja
teleskopu będzie korygowana za pomocą własnych silników JWST.
Przewiduje się, że JWST będzie działał przez 5-10 lat. Początkowo koszt jego
uruchomienia oszacowano na 3,5 mld USD. W 2008 r. okazało się, że będzie trzeba
wydać 5 mld USD, a nowe dane mówią już o 6,5 mld USD. Okazuje się, że może JWST
poleci w kosmos we wrześniu 2015 r., jeśli NASA znajdzie dodatkowe 250 mln USD
rocznie.
Program nowego teleskopu kosmicznego jest bardzo kosztowny, nadzwyczaj
skomplikowany, ambitny i ryzykowny. Spodziewane jednak korzyści naukowe
niewątpliwie warte są takiego ryzyka i poniesionych kosztów. Program JWST jest
wielką nadzieją astronomów i kosmologów całego świata.
 

Prof. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz
 

Autor jest kierownikiem Zakładu Fizyki Kwantowej Uniwersytetu Adama
Mickiewicza w Poznaniu.