Podróż do początku wszechświata
Nasz Dziennik, 2011-03-13

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.