James Webb Uzay Teleskobu nasıl çalışır, neler keşfetti?

25 Aralık 2021'de Fransız Guyanası'ndaki Kourou üssünden bir Ariane 5 roketiyle fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu, bugün astronominin en verimli araçlarından biri. NASA, Avrupa Uzay Ajansı ve Kanada Uzay Ajansı'nın ortak projesi olan teleskop, gökbilimcilerin onlarca yıldır sorduğu sorulara yanıt arıyor: İlk yıldızlar ve galaksilerKütleçekimiyle bir arada duran milyarlarca yıldız, gaz, toz ve karanlık maddeden oluşan dev sistem. ne zaman oluştu? Gezegen sistemleri nasıl doğar? Başka dünyaların atmosferlerinde neler var?

Webb'in bu sorulara yanıt verebilmesi, mühendislik açısından son derece iddialı bir tasarıma dayanıyor. Aşağıda teleskobun nasıl çalıştığını ve ilk yıllarında neler bulduğunu adım adım ele alıyoruz.

Neden kızılötesi?

Webb'i Hubble'dan ayıran en önemli özellik, evreni kızılötesi ışıkta incelemesi. Bunun iki temel nedeni var. Birincisi evrenin genişlemesi: çok uzaktaki galaksilerden yola çıkan ışığın dalga boyu, uzay genişledikçe uzar. Bu "kızıla kayma" sonucunda, evrenin ilk yüz milyonlarca yılında yayılan morötesi ve görünür ışık bize kızılötesi olarak ulaşır. İkincisi toz: yıldızların ve gezegenlerin doğduğu soğuk gaz ve toz bulutları görünür ışığı engeller, kızılötesi ışık ise bu bulutların içinden geçebilir.

Ancak kızılötesi astronominin bir zorluğu var: kızılötesi ışık esasen ısıdır. Teleskop ve cihazlar sıcak olsaydı, kendi yaydıkları ısı sönük gök cisimlerinin zayıf sinyalini bastırırdı. Webb'in tasarımındaki pek çok tercih bu sorunu çözmek için yapıldı.

Altın kaplı dev ayna

Webb'in ana aynası 6,5 metre çapında. Bu, Hubble'ın 2,4 metrelik aynasının yaklaşık 2,7 katı; ışık toplama alanı ise kabaca altı kat daha büyük. Bu boyutta tek parça bir ayna hiçbir roketin burun konisine sığmayacağı için ayna, berilyumdan yapılmış 18 altıgen parçadan oluşuyor. Berilyum hem hafif hem de çok soğuk ortamda biçimini koruyan bir metal. Parçaların yüzeyi, kızılötesi ışığı çok iyi yansıttığı için ince bir altın tabakayla kaplı.

Ayna, fırlatma sırasında katlanmış hâlde taşındı ve uzayda açıldı. Ardından her parça, arkasındaki küçük motorlarla nanometre düzeyinde ayarlanarak 18 parçanın tek bir kusursuz ayna gibi davranması sağlandı. Bu hizalama aylar süren bir süreçti.

Tenis kortu büyüklüğünde güneş kalkanı ve L2 noktası

Teleskobu soğuk tutmanın anahtarı, beş katmanlı güneş kalkanı. Her katmanı insan saçı kadar ince özel bir plastikten yapılan kalkan, açıldığında bir tenis kortu büyüklüğüne ulaşıyor. Güneş'e bakan taraf yüzlerce derece sıcakken, aynaların bulunduğu taraf yaklaşık eksi 223 santigrat dereceye kadar soğuyor. Orta kızılötesi cihazı MIRI ise ek bir soğutucuyla mutlak sıfırın yalnızca birkaç derece üstüne indiriliyor.

Webb, Dünya'nın çevresinde değil, Dünya'dan yaklaşık 1,5 milyon kilometre uzakta, Güneş'e göre Dünya'nın tam arkasındaki ikinci Lagrange noktası (L2) çevresinde dolanıyor. Teleskop 24 Ocak 2022'de bu konuma ulaştı. Burada Güneş, Dünya ve Ay hep aynı tarafta kaldığı için güneş kalkanı üçünü birden tek seferde engelleyebiliyor. Bunun bedeli ise Webb'in Hubble gibi astronotlarca onarılamayacak kadar uzakta olması.

Dört bilimsel cihaz

Aynanın topladığı ışık, teleskobun arkasındaki dört cihaza yönlendirilir. NIRCam yakın kızılötesi kamera olarak görüntülerin büyük kısmını çeker ve aynanın hizalanmasında da kullanıldı. NIRSpec, aynı anda yüzlerce gök cisminin tayfını alabilen bir tayfölçerdir; bir galaksinin uzaklığını ve kimyasal yapısını belirlemek için vazgeçilmezdir. MIRI orta kızılötesinde hem görüntü hem tayf alır; soğuk toz ve gezegen oluşum bölgelerini incelemede öne çıkar. Kanada'nın katkısı olan FGS/NIRISS ise teleskobun hedefe kilitlenmesini sağlar ve ötegezegenGüneş dışındaki bir yıldızın çevresinde dolanan gezegen. Bugüne dek 6.000'i aşkın ötegezegen doğrulandı. atmosferlerinin incelenmesinde kullanılır.

İlk yılların en önemli bulguları

Webb'in ilk bilimsel görüntüleri Temmuz 2022'de yayımlandı ve kısa sürede astronominin pek çok alanında yeni sorular doğurdu. Öne çıkan sonuçlardan bazıları şunlar:

• Evrenin bebeklik dönemindeki galaksiler: 2024'te Nature'da yayımlanan bir çalışma, kızıla kayması 14 civarında olan iki parlak galaksiyi tayf ölçümüyle doğruladı. Bu galaksilerin ışığı, Büyük Patlama'dan yalnızca yaklaşık 300 milyon yıl sonrasından geliyor. Bu kadar erken dönemde bu kadar parlak galaksilerin bulunması, galaksi oluşum modellerini yeniden düşünmeye zorluyor.
• Bir ötegezegen atmosferinde karbondioksit: Webb, WASP-39b adlı sıcak bir gaz devinin atmosferinde karbondioksiti açık biçimde tespit etti. Bu, Güneş Sistemi dışındaki bir gezegende karbondioksitin ilk kesin ve ayrıntılı tespitlerinden biri oldu.
• Yıldızların doğduğu bulutlar: Karina Bulutsusu ve "Yaratılışın Sütunları" gibi bölgelerin kızılötesi görüntüleri, toz bulutlarının içinde saklanan genç yıldızları ve gezegen oluşturan diskleri gözler önüne serdi.

Webb ve Hubble: Rakip değil, ortak

Webb sık sık "Hubble'ın halefi" olarak anılsa da iki teleskop farklı dalga boylarında çalışıyor ve birbirini tamamlıyor. Hubble görünür ve morötesi ışıkta keskin görüntüler sunarken, Webb kızılötesinde daha derine ve daha eskiye bakıyor. Aynı gök cisminin iki teleskopla çekilen görüntülerinin birleştirilmesi, bugün pek çok çalışmada standart bir yöntem.

Teleskobun yakıtı, fırlatmanın çok isabetli olması sayesinde başlangıçta planlanandan uzun bir görev süresine yetecek kadar korundu; NASA, Webb'in yirmi yıl kadar çalışabileceğini öngörüyor. Bu da ilk birkaç yılda ortaya çıkan soruların, aynı aletle yanıtlanabilmesi için bolca zaman demek.