Aasta lõpp on uue algus. Mõni aasta võib ajalukku minna just tänu oma viimastel päevadel toimunule. Näiteks alustas 27. detsembril 1831 ligi viis aastat kestnud ümbermaailmareisi Briti kuningliku mereväe laev Beagle, pardal 22aastane Charles Darwin, kes reisil nähtu ja kogetu-kogutu põhjal jõudis liikide tekke ja evolutsiooni teooriani. Aeg näitab, kas 24. detsember 2021 jääb inimkonna mällu kui ühe uue ajajärgu algus – päev, mil saime uued silmad universumi uudistamiseks.*
James Webbi kosmoseteleskoop kunstniku kujutatuna. Pealtvaates, Päikesest kaugem külg.
Hubble ja Webb
Kui kõik läheb plaanipäraselt ja ilmataat Lõuna-Ameerika kirdeosas midagi iseäralikku ei korralda, alustab nimetatud päeval Kourou kosmodroomilt Prantsuse Guajaanas oma 1,5 miljoni kilomeetri pikkust teekonda sihtpunkti James Webbi kosmoseteleskoop. Uue põlvkonna teleskoop (algul seda niimoodi nimetatigi – Next Generation Space Telescope) vahetab välja veteraniikka jõudnud Hubble’i kosmoseteleskoobi, mis on meile andnud tohutult uusi teadmisi ja arvukalt kauneid taevafotosid. Hubble’i kolmkümmend üks aastat – ja neid lisandub ka pärast uue teleskoobi tööle hakkamist – järjekindlat tööd avakosmoses on saavutus, mille ületamine pole lähitulevikus tõenäoline. Mingil moel võrreldav on ehk vaid kosmosesondide Voyager 1 ja 2 nüüdseks 44 aasta pikkune teekond Päikesesüsteemi ääremaile.
JWST (kasutame edaspidi lühendit sõnadest James Webb Space Telescope) laskis end kaua oodata. Ootasid mitte ainult astronoomid ja teised teadlased – tuletagem meelde kunstnik Georgi Mart Kivastiku romaanist „Taevatrepp“. Teatud venimine ning esialgsete tähtaegade edasilükkumine inimlike tegurite ja juhuste koostööna on niisuguste suurte ettevõtmiste puhul ilmselt paratamatu. Hubble’i konarlik teekond esimestest ideedest esmaklassiliseks kosmoseteleskoobiks saamiseni kestis veidi üle kahekümne aasta,1 JWST puhul kujuneb see veelgi pikemaks. Harjumuspäraselt on nii suurte projektide peamine ettevõtja ja rahastaja USA kosmoseagentuur (sisuliselt kosmoseministeerium) NASA, kuid nii Hubble’i kui JWST puhul on oluline partner ka Euroopa Kosmoseagentuur ESA, kus Eestigi nüüd liige on. Esimesed mõtted uue, umbes neljameetrise läbimõõduga teleskoobi suunas hakkasid NASAs liikuma 1989. aastal, kui Hubble alles ootas puhasruumis oma stardijärge ja keegi veel ei teadnud, et tema peapeegel on lihvitud liiga lamedaks. Ametlikult algas uue põlvkonna kosmoseteleskoobi projekt 1996, orbiidile pidi jõutama aastal 2007. James Webbi nime sai plaanitav teleskoop 2002. aastal NASA ajaloo teise juhi (USAs nimetatakse seda ametit administraatoriks) James Edwin Webbi (1906–1992) auks. Webbist tuleb veel juttu, kõigepealt aga – milline see JWST on ja milleks ta on võimeline?
Suurim kosmoseteleskoop
Igasuguseid kõige-kõigemaid võrdlusi võib JWST kohta tuua hulganisti.2 Kõigepealt suurus, mida teleskoobi puhul iseloomustab peapeegli läbimõõt: Hubble’il on see 2,4 meetrit, JWST-l 6,5 meetrit. Maa peal on sellest suuremad vaid tosinkond 8- kuni 10meetrise läbimõõduga teleskoobipeeglit. Meenutame, et Eesti peateleskoobil Tõraveres, mida me uhkusega (ja õigusega) nimetame Põhjamaade suurimaks, on see näitaja vaid 1,5 meetrit. JWST peapeegel oleks ühes tükis kosmosesse viimiseks liiga suur. Seepärast on see ehitatud mosaiikpeeglina nagu maapealsed suurimad peeglidki ning koosneb 18 kuusnurksest segmendist, mis on kompaktselt kokku pakitud. 29 päeva kestval teekonnal sihtkohta peab peegel ennast lahti voltima nagu origami. See on kosmoseteleskoopide ajaloos seninägematu asi.
Erakordne on ka peegli materjal: erakordselt kerge ning võrdlemisi haruldane ja kallis metall berüllium, peegeldavaks kihiks selle peal on aga puhas kuld. Berülliumi soojuspaisumine on palju väiksem kui kõige parematel klaasisortidel, mida tavaliselt teleskoobipeeglite valmistamiseks kasutatakse. Õieti tuleks rääkida külmas kokkutõmbumisest, sest JWST töökeskkonnas võib temperatuur langeda –230 ºC kanti. Ja eriti tähtis on, et vastupidavast metallist saab valmistada väga kergeid peegleid, kus peegeldavat pinda toetab „seest tühi“ kärjetaoline struktuur. Kosmosetranspordis, erinevalt Eesti maakonnabussidest, maksab iga kilogramm. JWSTs on kilogramme kokku 6500, pea kaks korda vähem kui palju väiksemas Hubble’i teleskoobis (mille suurust sageli võrreldakse autobussiga). Ja veel üks kodune võrdlus: meie suurima teleskoobi 1970. aastatel klassikalise tehnoloogia järgi valmistatud peapeegel kaalub 850 kilogrammi, JWST peaaegu viis korda suurem aga vaid 705 kilogrammi.
Teine väga suur element on päikesevari, mille mõõtmed on umbes 14 × 21 meetrit – selle pindala võrreldakse sageli tenniseväljaku omaga. Loomulikult ei saa elusuuruses tenniseväljakut paigutada kosmoselaeva lastiruumi ja nii tuleb päikesevarjulgi läbi teha lahtivoltimise mäng. Viis kihti inimese juuksekarva paksust kilet polüimiidsest materjalist nimetusega Kapton, mida on tugevdatud räni ja alumiiniumiga, peavad kaitsma teleskoopi nii otsese kui ka Maalt ja Kuult peegeldunud päikesevalguse eest. Ühes lahtivoltimise harjutuses 2018. aastal kippus õhuke kile rebenema ja see oli üks põhjusi, miks JWST orbiidile saatmine taas edasi lükkus.
Korduvalt on juba mainitud teleskoobi sihtkohta ja orbiiti. Kui Hubble’i kosmoseteleskoop tiirleb umbes 540 kilomeetri kõrgusel orbiidil ümber Maa, siis JWST-l on ees 1,5 miljoni kilomeetri pikkune teekond nn teise Lagrange’i punkti L2. Itaalia päritolu Prantsuse matemaatiku ja astronoomi Joseph-Louis Lagrange’i (1736–1813) järgi nime saanud punktid on omamoodi tasakaalu oaasid kahe massiivse keha gravitatsiooniväljas, kus kolmas, väikese massiga keha võib püsida stabiilsel orbiidil. Punkt L2 asub Maalt vaadates täpselt Päikese vastas ja sinna saadetud kosmosesõidukid tiirlevad põhimõtteliselt koos Maaga ümber Päikese, jäädes alati Päikest ja Maad ühendava sirge pikendusele. Selline asukoht kindlustab alalise n-ö päikesevaba vaate tähistaevale ja seda eelist on juba kasutatud nii mõnegi kosmoseteleskoobi puhul, näiteks mikrolainelist taustkiirgust uurinud WMAP ja Planck ning infrapunateleskoop Herschel. JWST näol saab endale naabri 2013. aasta lõpul Lagrange’i punkti saadetud ESA väga viljakas kosmoseteleskoop Gaia. Paari aasta pärast peaks nendega liituma tumeenergia ja tumeaine uurimise missioon Euclid, veidi hiljem eksoplaneetide sondeerija Plato ning aastakümne lõpul veel kahe suure projekti saadused Ariel ja Comet Interceptor. Kõik need on ESA ettevõtmised ja viimase kahe puhul on ka Eesti teadlastel ja inseneridel täita oma väike, kuid oluline roll. Matemaatilisse punkti muidugi ükski kosmoseaparaat ei mahuks, kõik nimetatud hakkavad joonistama teatud kujundeid punkti L2 ümber. Sellest hoolimata tuleb jälgida, et punkti ümbrus liiga täis ei saaks ja nii on eespool mainitud pensionile saadetud kosmoseteleskoobid sealt hoolikalt kõrvaldatud.
Kõigi nende tehniliste üksikasjade kirjeldamise juures on jäänud varju üks JWST peamine omadus. Rangelt võttes ei saa seda nimetada Hubble’i teleskoobi järglaseks, sest JWST ei hakka registreerima inimsilmale nähtavat valgust, ammugi mitte lühilainelist ultraviolettkiirgust. JWST on infrapunateleskoop. Tõsi, väike osa oranžikat-punakat valgust alates lainepikkusest 600 nanomeetrit jääb tema tundlikkuse piiresse, kuid edasi tuleb inimsilmale tunnetamatu pikemalaineline kiirgus, mida vahel nimetatakse ka soojuskiirguseks. JWST tunnetuse ülempiir on lainepikkus 28 mikromeetrit. Just selle soojuskiirguse tõttu on vaja, et teleskoop asuks kosmilises külmuses ja oleks hästi varjatud otsese päikesekiirguse eest. Iga meie mõistes toatemperatuuril keha on ise soojuskiirguse allikas ja segaks või teeks lausa võimatuks taevakehadelt tuleva kiirguse registreerimise. Teatud liiki infrapunavaatlusi saab maapealsete teleskoopidega teha, aga sageli on sealjuures tingimused sellised, nagu kunagi iseloomustas kolleeg Tõnu Tuvikene: infrapunapiirkonnas töötav astronoom on kogu aeg samas olukorras nagu visuaalpiirkonnas töötav astronoom, kui ta peaks vaatlema seestpoolt helenduva värviga värvitud teleskoobiga läbi leekide.3 Pealegi ei lase Maa atmosfäär suuremat osa infrapunakiirgusest läbi. Seega näib külm kosmos olevat kõige sobivam paik infrapunaastronoomia jaoks. Aga miks infrapunakiirgus üldse oluline on? See küsimus viib aegade algusse.
Ajamasin
Igasugune taevasse vaatamine on tegelikult ajas rändamine. Me näeme planeete, tähti, galaktikaid jm objekte sellisena, nagu nad olid siis, kui meie silma jõudnud valgus neilt teele asus. Sinna vahele võivad jääda kümned, sajad, tuhanded, miljonid või miljardid aastad. JWST keskendub suuresti just selle kõige kaugema, umbes 13 miljardi aasta taguse aja uurimisele. Küllap on kõik kuulnud, et universum paisub. Mida kaugemal galaktika on, seda suurema kiirusega ta meie omast eemaldub. Meie siin Linnutee galaktikas ei ole muidugi mingi maailma naba. Igast teisest galaktikast vaadates oleks pilt samasugune. Kõikjal toimib ka nähtus, mille avastas XIX sajandi Austria füüsik ja matemaatik Christian Doppler (1803–1853): liikuva allika kiiratud lainete lainepikkus muutub – kui allikas läheneb meile, lüheneb, kui allikas eemaldub, pikeneb. Valguse kui elektromagnetlainete puhul tähendab see, et kaugeneva galaktika valgus, sealhulgas spektrijooned, nihkub spektri pikemalainelise ehk punase osa poole – spektris ilmneb punanihe. Lähenevate valgusallikate, näiteks mõne tähe spektris võib näha sininihet. Väga kaugeid galaktikaid näeme väga noorena ja nende spektris on punanihe väga suur. Valgus, mis kunagi kiirati välja nähtava valguse lainepikkustel, on muutunud infrapunakiirguseks. Just seda, noort universumit iseloomustavat kiirgust, hakkabki JWST registreerima.
Ülikauged galaktikad ei ole siiski JWST ainus sihtmärk. Ka meie oma Linnutee südamesse aitab infrapunavalgus tungida sügavamale kui inimsilmale tajutav optiline valgus. Ning veelgi lähemal asuvad tolmu- ja gaasipilvedesse mattunud noored tähed peavad oma saladusi JWST ees paljastama hakkama. Tõsisemad huvilised ehk teavad Hubble’i kosmoseteleskoobi fotot nn Loomise sammastest Kotka udukogus. Infrapunakiirguses on need tumedad tolmusambad tihedalt täis pikitud helenduvaid tähti. JWST teravam pilk aitab täpsustada, kuidas kokkutõmbuvast gaasipilvest saab täht ja kuidas selle ümber keerlevas tolmupilves sünnivad planeedid. Jah, planeedid. Tol ajal, kui hakati mõlgutama mõtteid Hubble’ist suurema kosmoseteleskoobi ümber, ei teadnud veel keegi täpselt, kas ja kui palju planeete leidub teiste tähtede juures. Nobeli auhinna vääriliseks tunnistatud avastus tuli 1995. aastal. Sellest ajast alates oleme saanud kindlaid tõendeid pea 5000 eksoplaneedi olemasolust, statistilised hinnangud näitavad, et neid võiks ainuüksi meie kodugalaktikas olla vähemalt sama palju kui tähti või kuni poolteist korda rohkem ehk siis umbes 200–300 miljardit.
Inimkonda jääb võib-olla igavesti erutama küsimus, kas kuskil väljaspool Maad veel elu leidub. Ei saa lubada, et JWST sellele küsimusele vastab, aga loodetavasti aitab vähemalt mõtteid koondada ja suunata. Ilmselt peab eluks sobivat planeeti ümbritsema mingisugune atmosfäär. Kui planeet juhtub minema oma ematähe eest läbi, jätavad planeedi atmosfääris leiduvad keemilised ühendid tähe spektrisse oma imetillukese jälje. Seda meetodit atmosfääri koostise kindlaks tegemiseks on juba olemasolevate maapealsete ja kosmoseteleskoopidega proovitud, aga vajalikku täpsust pole saavutatud. JWST avab siin uued perspektiivid, eriti tänu sellele, et paljude oodatavate ühendite, kas või näiteks vee või metaani molekulide kõige tugevamad ja iseloomulikumad neeldumisribad on just spektri infrapunases osas. Ja ikka on väike lootus, et mõne planeedi atmosfäär võib ilmutada märke anomaalselt suurest hapniku sisaldusest või keerukatest orgaanilistest molekulidest või muust, mida saab seostada eluga. JWST ei jäta tähele panemata ka päris lähiümbrust ehk meie kodust Päikesesüsteemi. Infrapunavaatlused annavad väärtuslikke uusi teadmisi eriti selle ääreala objektidest: kääbusplaneetidest, asteroididest ja komeetidest.
Üsna kindlasti leitakse JWST abil infrapunasest maailmast ka midagi täiesti uut ja seninägematut, mille tundmaõppimine ju üks teaduse peaülesanne ongi. Olgu tegemist tuntu või tundmatu uurimisega, ei piisa selleks ainuüksi teleskoobist. On vaja ka tundlikke ja keerukaid teadusinstrumente, mis teleskoobipeeglitega kogutud footoneid registreerivad ja analüüsivad. Hubble’i kosmoseteleskoobil oli eelis, et astronaudid käisid seda hooldamas ja parandamas ning nii oli võimalik ka teadusinstrumente vahetada. Tõsi, pärast 2009. aastat neid kosmosesüstiku lende pole toimunud ja vanake peab nüüd ise endaga toime tulema. JWST puhul luksust inimesi ega ka mitte roboteid tema juurde sõidutada ei ole. Lagrange’i punkt L2 on neli korda kaugemal kui Kuu. Iseenesest oleks 1,5 miljonit kilomeetrit ju läbitav, aga ei tasu riski ja kulutusi. Kindlam on projekteerida teleskoop koos kõigi oma instrumentidega nii, et saab ise hakkama. JWST teaduslik komplekt koosneb neljast instrumendist. Kosmoseasjandusele kohaselt kasutatakse nende tähistamiseks inglise keelest tuletatud lühendeid. Siin vahest ei ole kõige paslikum koht neid üksikasjalikult lahti seletada. Olgu vaid öeldud, et kolme instrumendi lühendis (NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS) sisalduv NIR tähendab lähiinfrapunast ehk kiirgust lainepikkuste vahemikus 0,6–5 mikromeetrit. Neljas aparaat hakkab registreerima nn keskmise lainepikkusega infrapunakiirgust ehk vahemikus 5–28 mikromeetrit, selle nimi on MIRI (Mid-Infrared Instrument). Viimane, nagu ka NIRSpec, on ESA panus JWST teokssaamisse. FGS/NIRISS-i ehitas aga hoopis Kanada kosmoseagentuur. Kui juba panused jutuks tulid, olekski viimane aeg võtta ette üldhuvitavad teemad, mis kõigile korda lähevad – raha ja seks.
Kallis teadus
Teadus on kallis. Ja tavaliselt kallim kui arvatud – suured projektid kipuvad minema esialgsest eelarvest mitu korda kallimaks. Hubble’i kosmoseteleskoopi planeerima hakates loodeti see valmis saada 200 miljoni dollariga. Lõplikule hinnalipikule kirjutati umbes 2 miljardit, sellele lisandusid kosmosesüstikute teeninduslennud. Enam-vähem kümnekordse kallinemise on läbi teinud ka JWST. Esialgsest ühest miljardist on stardipäevaks saanud peaaegu kümme. Teine seaduspärasus on, et aega kulub alati rohkem, kui alguses loodeti. JWST stardi aeg on edasi nihkunud 14 aastat. Küllap NASA analüüsib selle põhjuseid kunagi põhjalikumalt. Üks on kindlasti seesama algselt liiga väike eelarve. Teise põhjuste seeria tuuma moodustavad kõikvõimalikud tehnilised raskused ja ootamatused. JWST puhul tuli lõpuks mängu veel üks pisike silmale nähtamatu tegur – koroonaviirus SARS-CoV-2 ja sellest tingitud pandeemia, mis lükkas kaua aega 30. märtsil 2021 püsinud stardi tähtaja 31. oktoobrile 2021. Tehnilised probleemid kanderaketiga Ariane-5 nihutasid stardi 18. detsembrile ja siis, vaevalt neli nädalat enne seda päeva tekitas üks ootamatult lahti klõpsanud kinnitusklamber veel vähemalt kuue päeva pikkuse viivituse.4
Aga see s-tähega sõna? Seegi tuli ootamatult mängu alles 2021. aastal. Rühm aktiviste avastas, et kunagine NASA juht James Webb oli varem riigiametites töötades pidanud ägedat võitlust homoseksuaalidega ning nõudnud nende vallandamist föderaalvalitsuse ametikohtadelt. NASA korraldas igakülgse uurimise, aga ei nimetanud teleskoopi ümber.5 Maised asjad jäägu maa peale. Üks „pealekaebajatest“, astronoom Chanda Prescod-Weinstein soovitab akronüümi JWST lahti mõtestada kui Just Wonderful Space Telescope. Loodame, et see universumile pilku heitev uus silm hakkab tõesti imelisi asju nägema.
Laurits Leedjärv on Tartu ülikooli Tartu observatooriumi kaasprofessor.
* 24. detsembriks planeeritud start lükati 25. detsembrile tugeva tuule tõttu.
1 Laurits Leedjärv, Raske tee tähtede poole. – Akadeemia 2020, nr 8, lk 1399–1433.
2 https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/index.html
3 Tõnu Tuvikene, Infrapunaastronoomia. – Tähetorni kalender 1980, LVI aastakäik. Tallinn, Valgus 1979, lk 52–69.
4 https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Update_on_Webb_telescope_launch
5 Alexandra Witze, NASA won’t rename James Webb telescope – and astronomers are angry. – Nature 2021, vol 598, p 249.
Laurits Leedjärv, Aasta hiljem: silmad on avanenud. – Sirp 16. XII 2022.
