En Güçlü Teleskop JWST (WEBB)

Bugüne kadar yapılmış en güçlü uzay teleskopu olan James WEBB Uzay Teleskobu, 25 Aralık 2021’de TSİ ile 15.20’de Fransız Guyanası’ndaki Avrupa Uzay Üssü’nden Ariane-5 roketiyle fırlatıldı.

Bu konuya fen, matematik, mühendislik, uzay alanına ilgi duyan, hatta sadece evrenle ilgili merakı olan herkesin dikkatini çekmek isterim. Başlı başına dev bir proje olmasının yanı sıra, inanılmayacak kadar uzak mesafelerden gelecek veriyi algılaması ve yorumlaması beklenen WEBB sayesinde, bilim tarihine yeni bir çok keşif eklenmesi bekleniyor.

James WEBB Uzay Teleskobu (İngilizce adı ile James WEBB Space Telescope, kısaltmasıyla JWST), Hubble Uzay Teleskobu’ndan da yetenekli olan bir kızılötesi uzay teleskopudur. Ayrıca bu dev proje NASA’nın başkanlığında 15 farklı devletin, Avrupa Uzay Ajansı ve Kanada Uzay Ajansı’nın ortak yürüttüğü bir uluslararası projedir.

Adını 2002’de NASA’nın Apollo programından sorumlu müdürü olan James E. WEBB‘ten almıştır. 6,5 metre genişliğindeki altın kaplama aynası ile, 13.5 milyar ışık yılı uzağı, yani evrenin ilk yıldızlarının oluştuğu zamanı görmesi beklenmektedir.

Kızılötesi ışığı gözlemlemek için ayarlanmış olan 6,5 metrelik çapında aynası olan bu teleskop, Dünya’dan yaklaşık 1,5 milyon kilometre uzaklıkta yörüngeye yerleştirilmek üzere hala yolculuğunu sürdürüyor. Bu uzaklık, Dünya ile Ay arasındaki uzaklığın dört katı kadardır.

1995’te Hubble’ın ardılı olarak tasarlanan JWST’in tamamlanması 20 yıldan uzun sürmüştür. Görev ömrü olarak 5 yıl ile maksimum 10+ yıl arasında olması beklenmektedir. Çünkü Hubble (600 km) gibi Dünya’ya yakın bir mesafede bulunmadığından (1,5 milyon km), tadilat ve bakım hizmetlerini gerçekleştirmek pek mümkün olmayacak.

WEBB’in büyük aynası ve gelişmiş enstrüman takımı, bir tenis kortu boyutuna ulaşana kadar açılmak üzere inşa edilmiş beş katmanlı bir güneşlik ile korunmaktadır. Tüm gözlemevi fırlatma aracının içine sığacak şekilde katlanmıştır ve uzayda açılacaktır.

Bu karmaşık yerleştirme dizisi hiçbir zaman bir uzay teleskopu için denenmedi ve WEBB’in yapımındaki muhteşem mühendislik, teknolojinin sınırlarını zorlayan birçok yeniliği içermektedir.

Resim-1. WEBB teleskobu aynasının hizalanması. (Image Credit: NASA/Chris Gunn) [2].

Resim 1’deki fotoğraf 18 ayrı parçanın tek bir ayna olarak birlikte çalışması için hizalama işlemi başlatıldığında çekilmiş. Bu işlem üç ay sürmektedir ve uzayda tamamlanacaktır.

WEBB ilk ışıklandırma ve yeniden iyonlaşma, evrendeki en eski galaksiler, galaksilerin oluşumu ve gelişimi, yıldızların ve gezegenlerin doğuşu ve ötegezegenler hakkında birçok yeni keşif yapabilecek [4].

Şekil-1. WEBB’in misyonunda hangi aşamada olduğunu internetten takip edebilirsiniz [3].

Bu yazıyı İstanbul’da yoğun kar yağışı beklendiği 9 Mart akşamı yazmaktayım. Şekil-1’de gördüğünüz gibi WEBB dördüncü aşamaya başarı ile ulaşmış görünüyor. Bu aşamada hala 18 ayrı segment gibi davranan dev ayna Kaba-Aşama (coarse – phasing) sürecinde. Bu süreç teleskop devreye alınana kadar 3 kez tekrar edecek.

Kaba Aşama, ayna segmentlerinin dikey yer değiştirmesini (piston farkı) ölçer ve inanılmaz küçük adımlar ile düzeltir. Dağıtılmış Saçak Algılama (Dispersed Fringe Sensing) olarak bilinen bir teknolojiyi kullanarak, 18 ayrı ayna parçası çiftinden ışık spektrumlarını yakalamak için NIRCam kullanılmaktadır.

JWST, büyük ölçüde Dünya’nın gölgesinde olacak; bu durum Güneş’ten gelen ısı kirliliğini önleyecek ve teleskobun derin uzayda çok soluk kızılötesi (infrared) kaynakları saptamasını olanaklı kılacaktır. NASA teleskobun yeteneğini bize teleskobun Ay’daki bir yabanarısının ısısını dahi saptayabildiğini iddia ederek örneklemektedir.

WEBB hakkında en çok merak edilen soruları ve cevaplarını özetleyelim.

WEBB’in temel bilimsel hedefleri nelerdir?

WEBB’in dört bilimsel misyonu vardır: Big Bang’den sonra oluşan ilk galaksileri veya parlak nesneleri arayacak, galaksilerin oluşumlarından günümüze nasıl evrimleştiğini belirleyecek, ilk aşamalardan gezegen sistemlerinin oluşumuna kadar yıldızların oluşumunu gözlemleyecek, gezegen sistemlerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerini ölçerek ve bu sistemlerdeki yaşam potansiyelini araştıracak.

WEBB’in yörüngeye yerleşme aşamaları nelerdir?

İlk Saatte

Kalkıştan itibaren Ariane roketi 8 dakikadan biraz fazla bir süre boyunca itme sağlayacaktır. WEBB, fırlatmadan yarım saat sonra Ariane-V fırlatma aracından ayrılacak ve hemen ardından güneş enerjisi dizisini konuşlandıracak. Ayrıca, başlatma için kilitlenmiş birkaç sistemi açılacak.

İlk Gün

Fırlatmadan iki saat sonra yüksek kazançlı anten yerleştirilecek. Fırlatmadan on iki saat sonra, WEBB’in kendisindeki küçük roket motorları tarafından ilk yörünge düzeltme manevrası yapılacak.

İlk Haftada

İkinci yörünge düzeltme manevrası, fırlatmadan 2,5 gün sonra gerçekleşecek. Bundan hemen sonra büyük dağıtım dizisine başlayacağız. İlk dağıtımlar, ön ve arka güneşlik paletleridir, ardından kalan alt sistem başlatma kilitlerinin serbest bırakılması başlıyor.

Bir sonraki yerleştirme, konuşlandırılabilir kule tertibatı uzadığında teleskop ve uzay aracı otobüsünün birbirinden yaklaşık 2 metre uzaklaştığı teleskoptur. Ardından, membranların açılması ve gerilmesi ile tam güneşlik açılması başlatılabilir. 6 günde ikincil aynayı, ardından birincil aynanın yan kanatları yerleştirilecek.

İlk Ayda

Teleskop açılan güneş korumasının gölgesinde soğurken, sıcak elektroniği açacağız ve uçuş yazılımı başlatılacak. İlk ayın sonunda, WEBB’in L2 civarındaki son yörüngesine ulaşmasını sağlayan orta rota düzeltmesini yapılacak.

Teleskop çalışma sıcaklığına yakın bir sıcaklığa kadar soğumasına rağmen, gözlemevini oluşturan malzemelerde sıkışan artık su uzay boşluğuna kaçarken, cihazlar üzerinde yoğuşmayı önlemek için ISIM elektrikli ısıtıcılarla ısıtılır.

İkinci Ayda

Lansmandan 33 gün sonra Hassas Yönlendirme Sensörünü, ardından NIRCam ve NIRSpec’i açılıp çalıştırılacak. İlk NIRCam görüntüsü, ışığın teleskoptan aletlere girmesini sağlamak için kalabalık bir yıldız alanına ait olacaktır. Birincil ayna segmentleri henüz hizalanmayacağından, resim hala odak dışında olacaktır.

Lansmandan 44 gün sonra, ilk önce her ayna parçasını kameradaki bir yıldız görüntüsüyle tanımlayarak, birincil ayna parçalarını ayarlama sürecine başlanacak. İkincil aynaya da odaklanılacak.

Üçüncü Ayda

Lansmandan 60 ila 90 gün sonra, birincil ayna parçalarını tek bir optik yüzey olarak birlikte çalışabilmeleri için hizalanacak. Ayrıca MIRI açılıp çalıştırılacak. Üçüncü ayın sonunda bilim kalitesinde ilk görüntüleri çekilecek. Ayrıca bu zamana kadar WEBB ilk yörüngesini L2 civarında tamamlayacak.

Dördüncü Aydan Altıncı Aya Kadar

Lansmandan yaklaşık 85 gün sonra, NIRCam’daki teleskop görüntüsünün optimizasyonu tamamlanmış olacak. Önümüzdeki bir buçuk ay boyunca, diğer enstrümanlar için görüntü optimize edilecek. Bilim hedeflerini gözlemlenerek tüm araç yetenekleri test edip kalibre edilecek.

Altı Ay Sonra

WEBB bilim misyonuna başlayacak ve rutin bilim operasyonlarını yürütmeye başlayacak.

Neden Kızılötesi ışık gözlemleniyor?

WEBB, gök cisimlerinden gelen kızılötesi ışığı her zamankinden çok daha fazla netlik ve hassasiyetle inceleyecek. Görünür ışığın kısa, dar dalga boylarının aksine, kızılötesi ışığın daha uzun dalga boyları tozun üzerinden daha kolay geçer. Bu nedenle, toz bulutlarının arkasına “gizlenen” yıldız ve gezegen oluşumu evreni, WEBB’in kızılötesi cihazları için net bir şekilde ortaya çıkıyor.

Erken Evren’de ilk yıldızların ve galaksilerin oluştuğunu görmek için, zamanda geriye bakmak için uzayın derinliklerine bakmamız gerekir. Evren genişliyor ve bu nedenle ne kadar uzağa bakarsak, nesneler o kadar hızlı bizden uzaklaşıyor ve ışığı kırmızıya kaydırıyor.

Kırmızıya kayma, ultraviyole veya görünür ışık olarak yayılan ışığın, çok yüksek kırmızıya kaymalar için ışık spektrumunun yakın ve orta kızılötesi kısmına giderek daha kırmızı dalga boylarına kaydırılması anlamına gelir.

Şekil-2. WEBB teleskobunun gözlem yeteneği kızılötesi dalga boyundadır [5].

Yerel Evrendeki yıldız ve gezegen oluşumu, normal görünür dalga boylarında gözlerimizden gizlenen yoğun, tozlu bulutların merkezlerinde gerçekleşir.

Daha uzun dalga boyuna sahip olan yakın kızılötesi ışık, küçük toz parçacıkları tarafından daha az engellenir ve yakın kızılötesi ışığın toz bulutlarından kaçmasına izin verir. Yayılan yakın kızılötesi ışığı gözlemleyerek tozun içine girebilir ve yıldız ve gezegen oluşumuna yol açan süreçleri görülebilir.

Yaklaşık Dünya sıcaklığındaki nesneler, radyasyonlarının çoğunu orta kızılötesi dalga boylarında yayar. Bu sıcaklıklar, yıldızları ve gezegenleri oluşturan tozlu bölgelerde de bulunur. böylece orta-kızılötesi radyasyonla yıldızın parlamasını ve gezegen oluşumunun gerçekleştiğini görebiliriz.

Kızılötesi optimize edilmiş bir teleskop, yıldızların ve gezegenlerin doğum yerlerini görmek için toz bulutlarına nüfuz edilmesini sağlar.

Şekil-3. WEBB, Hubble ve Spitzer uzay teleskoplarının geliştirilmiş bir birleşimidir – Hubble’ın hassasiyeti ve çözünürlüğüne sahiptir ancak Spitzer’in kızılötesi evren görüşüne de sahiptir.

WEBB neden Dünya’dan Hubble’dan çok daha uzağa gitmek zorunda? İkinci Lagrange nokta yörüngesi nedir?

WEBB, çeşitli nedenlerle uzak bir yörüngeye ihtiyaç duyar. WEBB, öncelikle soluk ve çok uzaktaki nesnelerden gelen kızılötesi ışığı gözlemleyecektir. Kızılötesi ısı radyasyonudur, bu nedenle teleskoplar dahil tüm sıcak şeyler kızılötesi ışık yayar. Çok zayıf astronomik sinyalleri teleskoptan gelen radyasyonla boğmaktan kaçınmak için teleskop ve aletleri çok soğuk olmalıdır.

WEBB’in çalışma sıcaklığı mutlak sıfırın 50 dereceden az üzerinde: 50 Kelvin (-223°C veya -370°F). Bu nedenle WEBB, Güneş ve Dünya’dan (ve Ay’dan) gelen ışığı engelleyen, aksi takdirde teleskopu ısıtacak ve gözlemlere müdahale edecek büyük bir kalkana sahiptir.

WEBB, güneş korumasının hem Güneş’i hem de Dünya’yı (ve Ay’ı) her zaman engelleyebileceği özel bir konuma Güneş’in etrafındaki yörüngeye yerleştirilecektir. Bu konuma ikinci Lagrange noktası (L2) denmektedir. Güneş-Dünya sisteminin bu özelliği olan L2 noktası Güneş ve Dünya çevresindeki yerçekimi potansiyelinde yarı kararlı bir noktadır.

L2 noktası, Güneş’in etrafında dönerken Dünya’nın yörüngesinin dışında yer alır ve üçünü de her zaman bir çizgide tutar. Güneş ve Dünya’nın birleşik yerçekimi kuvvetleri bu noktada neredeyse bir uzay aracını tutabilir ve uzay aracını L2’nin yakınında tutmak nispeten az yakıt gerektirir.

L2 noktasının soğuk ve sabit sıcaklık ortamı, WEBB’in ihtiyaç duyulan çok hassas kızılötesi gözlemleri yapmasına izin verecektir.

WEBB’in Üstün Özellikleri Nelerdir?

WEBB teleskopu, ikonik Hubble ve Spitzer uzay teleskoplarının bilimsel halefidir. Beklenen ve beklenmeyen birçok yeni keşif haberi getirmesi beklenmektedir.

Dev aynası burun konisinde katlanarak yerleştirilmiştir. Şimdiye kadar yapılan en büyük aynadır ve yörüngeye yerleştikten sonra açılacaktır.

Şekil-4. WEBB Teleskobunun roketin burun konisi içerisindeki yerleşimi.

Şimdiye kadar en uzağa (1,5 milyon km) gönderilen ve özel bir yörüngeye (L2 yörüngesi) oturtulan bir teleskop olacak.

Şekil-5. Dünya ve WEBB Teleskobunun yörüngesi.

Son teknoloji ürünü bilimsel ölçüm araçları ile donatılmıştır. Görüntüleme, spektroskopi, fiziksel ve kimyasal analizler yapma kabiliyetindedir.

Şekil-6. WEBB Teleskobunun bilimsel yükleri.

Birçok yenilikçi teknolojik yan ürün ile birlikte inşa edilmiştir. Bu teknolojiler dünyada farklı alanlarda da kullanılabilir. Hafif, katlanabilir, hizalanabilir aynalar, gelişmiş kompozit yapılar, polimer membranlar, 60K sıcaklıkta çalışacak sensörler, spin-off cihazları vb.

Şekil-7. WEBB Teleskobunun genel özellikleri.

Tasarımından, yapımına, yolculuğundan, yörüngesine yerleşip çalışmaya başlaması sürecine kadar daha ölçüm almadan bizi hayretler içinde bırakan, müthiş bir teknoloji-mühendislik harikası olan WEBB teleskobundan gelecek yeni haberleri heyecanla bekliyoruz.

Şekil-8: Hubble teleskobu ve 2027’de gönderilmesi planlanan Roman teleskobu ile WEBB’in karşılaştırılması [5].

Sosyal medyada @nasawebb hesabından, YouTube üzerinden  ve NASA’nın  web adresinden son gelişmeleri takip edebilirsiniz.