Aasta hiljem: silmad on avanenud

James Webbi kosmoseteleskoobi esimesele tööaastale tagasi vaadates võib nentida, et (peaaegu) kõik on läinud hästi, ootused on täitunud ja isegi ületatud.

LAURITS LEEDJÄRV

Eelmise aasta lõpul oli Sirbi loos „Silmade avanemise päev“* juttu ootustest maailma kalleima teadusinstrumendi ümber. James Webbi kosmoseteleskoop veetis siis oma viimaseid päevi planeedil Maa, oodates stardikäsklust, mis 25. detsembril 2021 kell 14.20 meie aja järgi lõpuks anti. Nüüd saab tema esimesele tööaastale tagasi vaadata ja nentida, et (peaaegu) kõik on läinud hästi, ootused on täitunud ja isegi ületatud.

Pikk teekond lisaülesannetega

Erinevalt enamikust inimese loodud kosmoseaparaatidest ei tiirle James Webbi kosmoseteleskoop (kasutame edaspidi lühendit JWST) ümber Maa. Tema töökoht on 1,5 miljoni kilomeetri kaugusel teises Lagrange’i punktis L₂, mis asub Maalt vaadates täpselt Päikese vastas ja tiirleb koos meie planeediga ümber Päikese, jäädes alati Päikest ja Maad ühendava sirgjoone pikendusele. Selle geomeetrilise punkti ümber väikseid ellipseid joonistav JWST näeb alati päikesevaba tähistaevast, nagu seda nägid ja näevad seal ka pensionile saadetud kosmoseteleskoobid WMAP, Planck ja Herschel, veel täies tööjõus Gaia ning tulevased galaktikate ja planeetide uurijad Euclid, Plato ja Ariel.

Neli nädalat kestnud reisil sihtkohta pidi teleskoop ennast töökorda seadma. See protsess sisaldas mitmeid vastutusrikkaid ülesandeid, mille kohta saab öelda, et neid täideti kosmonautika 65aastase ajaloo jooksul esimest korda. Kõigepealt tuli lahti voltida hiigelsuur päikesevari, mille pindala on sageli võrreldud tenniseväljaku omaga. Viis kihti üliõhukest kilet polüimiidsest materjalist nimetusega Kapton kaitsevad teleskoopi otsese ning Maalt ja Kuult peegeldunud päikesekiirguse eest. Kui esimeste maapealsete lahtivoltimise katsetuste käigus kippus õhuke kile vahel rebenema, siis ainuke otsustav katse kosmoses läks kenasti korda. Kui päikesevari paika sai, tuli origami voltimisele vastupidine tegevus ette võtta ka teleskoobi peapeegliga. Läbimõõt 6,5 meetrit pole tänapäeva maapealsete teleskoopide jaoks enam midagi erilist, kuid kanderaketi lastiruumi paigutamiseks on seda siiski liiga palju. Nii projekteeriti JWST peapeegel mosaiikpeeglina, mis koosneb 18 kuusnurksest segmendist. Needki pidid läbi tegema kokku- ja lahtipakkimise mängu. Siinkohal tasub korrata, et peegel valmistati väga erilisest materjalist, mida maistes teleskoopides pole seni kasutatud – ülikergest ja väga tugevast (aga ka väga kallist) berülliumist. Tänu sellele kaalub JWST peapeegel vaid 705 kilogrammi. Kui see arv asjasse pühendamatule palju ei ütle, siis olgu võrdluseks pool sajandit tagasi Põhja-Kaukaasiasse rajatud tollase maailma suurima teleskoobi 6meetrise läbimõõduga peapeegli kaal – 42 tonni. Ka Eesti suurima, Tõravere 1,5meetrise teleskoobi klassikaline klaaspeegel lööb oma 850 kilogrammiga JWST oma üle.

Üks särav külg on JWST peapeeglil veel. Peegeldavaks kihiks berülliumi peal on puhas kuld. Seda on peegli segmentidele aurustatud kokku 48 grammi ehk umbes viie laulatussõrmuse jagu. Omamoodi veider on see aine ringkäik looduses. Selleks et meie 4,5 miljardit aastat tagasi tekkinud planeedi maakoorde saaks ka näpuotsaga kulda, pidid miljonid ja miljonid massiivsed tähed miljardite aastate jooksul supernoovana plahvatama ja moodustama neutrontähti. Sellised reaktsioonid, milles tekivad kulla aatomid, toimuvad teadaolevalt ainult kahe neutrontähe ühtesulamisel. Ja siis ilmuvad ühele planeedile olendid, kes hakkavad kulda terahaaval maakoorest välja sõeluma ja seda eriti väärtuslikuks metalliks pidama. Ning lõpuks läheb sedasama kulda vaja, et massiivseid tähti ja supernoovasid, galaktikaid ja galaktikaparvi, planeete ja nende atmosfääre ning kõike muud kosmilistes avarustes leiduvat lähemalt tundma õppida.

Kullatud peeglisegmentide lahtivoltimine ja peegliks kokkuseadmine õnnestus jaanuaris 2022 plaanipäraselt. Et 18 tükikesest moodustuks täisväärtuslik peegel, peab igaüks neist vähem kui mikromeetrise täpsusega oma ettenähtud kohas olema. Seda tagavad iga segmendi taga kuus aktuaatorit ehk tillukest samm-mootorit, kokku on neid niisiis 108 pluss veel 18 peegli üldise kõverusraadiuse sättimiseks ja veel 6 sekundaarpeegli asendi reguleerimiseks. Kogu see masinavärk töötas kosmilises külmuses laitmatult. Vaatlusteks elektromagnetspektri infrapunases osas, mida me tavaelus vahel nimetame soojuskiirguseks, ei piisa alati isegi alla –230 Celsiuse kraadi küündivast kosmilisest külmusest. Kolm JWST teadusinstrumenti, mis töötavad nn lähiinfrapuna lainealas (valguse lainepikkustel kuni 5 mikromeetrit), saavad hakkama passiivse jahutusega, mille olulisim komponent on eespool mainitud hiiglaslik päikesevari. Keskmise infrapunase piirkonna instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) vajab aga 28 mikromeetrini ulatuvate lainepikkuste puhul täisväärtuslikuks tööks temperatuuri, mis jääb alla 7 kelvini ehk 266 miinuskraadi Celsiuse skaalas. Sellise külmuse saavutamiseks kasutatakse erilist krüojahutit, mis töötab enam-vähem samal põhimõttel nagu külmkapp. Oluline on, et selline jahuti ei vaja kaasavõetavat vedela heeliumi varu, mille lõppemine on piiranud varasemate infrapunaste kosmoseteleskoopide tööaega.

Pettuda ei tulnud

Pärast Lagrange’i punkti saabumist algaski JWST peeglite ja teadusinstrumentide jahutamine. Umbes saja päevaga saavutati teleskoobi kõigis komponentides lähiinfrapunas vaatlemiseks vajalik temperatuur, mis enamasti jääb –230 ja –240 ºC vahele. Eriti nõudliku MIRI töötemperatuuriks sai vaid 6,4 kraadi üle absoluutse nulli (–266,8 ºC). Kogu see argielus kujutlematu külmus on hädavajalik, et teleskoobi enda soojuskiirgus kosmiliste objektide ülinõrka infrapunakiirgust ei lämmataks. Kummalisel kombel on aga JWST-l ka kuum külg. Teleskoopi koos hoidva platvormi päikesepoolsel küljel on keskmiselt 13 kraadi üle Celsiuse nulli, päikesevarju pind võib kuumeneda isegi 50 plusskraadini. Nii erinevate temperatuuride rahulik kooseksisteerimine võib tunduda lausa termodünaamika seaduste rikkumisena, aga loodusseadustest ei saa ka maailma kalleim riist mööda minna – õige temperatuurirežiimi tagab leidlik insenerimõte ja uudsete tehnoloogiate kasutamine.

Jahutamisega paralleelselt kestis peegli segmentide lõplik paikasättimine ning algasid kõikvõimalikud instrumentide seadistamised ja kalibratsioonid – kõik ikka selleks, et 12. juulil saaksid alata regulaarsed teaduslikud vaatlused. Ja et selle päeva eelõhtul saaks USA president Joe Biden elegantselt avalikustada uue teleskoobi esimesed proovipildid – pildid, mis andsid inimkonnale seninägematu vaate universumile, nagu NASA administraator Bill Nelson neid iseloomustas. Tõepoolest, vaated on väärt avalikustamisele järgnenud laialdast huvi ja kiiret levikut üle maailma. Teleskoobi kavandajatel ja valmistajatel ei tulnud pettuda, nagu oli juhtunud Hubble’i kosmoseteleskoobiga 1990. aastal. Tolle proovivõtted osutusid olevat hägusad ja ebateravad. Peagi selgus, et Hubble’i peapeegel oli valesti lihvitud. See oli servadest 2,2 mikromeetri ehk 1/50 inimese juuksekarva paksuse jagu lamedam kui õigus. Paarist mikromeetrist piisas selleks, et senaator Barbara Mikulski sattus raevu kahe miljardi dollari kulutamise pärast tarbetule monstrumile ja et NASA sattus suure löögi alla, kui senaator Al Gore meenutas, et see on juba teine kord viie aasta jooksul, kui NASA on lasknud läbi suure eksimuse – esimene oli viga tahkekütuse kiirendites, mis põhjustasid kosmosesüstiku Challenger katastroofi 1986. aasta jaanuaris. Õnneks ei olnud olukord siiski lootusetu. Et viga oli täpselt kvantifitseeritav, sai ehitada Hubble’i teleskoobile korrigeeriva optika ehk „prillid“ ja 1993. aasta detsembriks kavandatud teeninduslennul need paigaldada. Hubble’i teleskoop on kuhjaga täitnud ja ületanud astronoomide ootused ning pakkunud silmailu miljarditele inimestele. Ka senaator Mikulski oli lõpuks rahul. Muu hulgas on tema auks nimetatud üks maailma suurimaid astronoomiliste vaatlusandmete kogusid – kosmoseteleskoobi teadusinstituudi arhiiv MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes), mis sisaldab kõiki Hubble’i ja nüüd juba ka Webbi teleskoobi vaatlusi.

Raske ennustada, kui suureks kujuneb Mikulski arhiiv tolleks ajaks, kui JWST kord pensionile saadetakse (Hubble’i kosmoseteleskoopki töötab ju veel väsimatult edasi ja täiendab arhiivi). Loomulikult ei koosne arhiiv vaid sellistest ilupiltidest, millest esimesed viis tänavu juulis avalikustati ja mida on järgnevatel kuudel ridamisi lisandunud. Arhiivi põhisisu on ikka teadlasi huvitavad arvandmed, aga ilupildid on muidugi vajalikud, et tõestada teleskoobi võimekust ja kasulikkust inimkonnale. Esimesed viis ilupilti olid valitud nii, et need näitaksid JWST mitmekesiseid võimalusi eri tüüpi taevaobjektide uurimiseks. Pildistatud on lähemaid ja kaugemaid objekte: tolm­udukogu Kiilu (Carinae) tähtkujus, kus tekivad uued tähed, lõunataevas nähtav sõrmusetaoline planetaarudu ehk elu lõppu jõudnud täht ja viiest galaktikast koosnev Stephani kvintett. Veidi teistsuguse näitena demonstreeriti ka ekso­planeedi WASP-96b spektrit, mis näitab selgeid märke vee olemasolust planeedi atmosfääris.

Kõige muljetavaldavam – vähemalt siinkirjutajale, aga usun, et seda arvamust jagavad paljud – on aga süvataeva pilt kaugest galaktikaparvest SMACS 0723. Kujutage ette, et panete ühe liivatera oma sõrmeotsale, sirutate käe täies pikkuses välja ja siis see tükike taevast, mida katab liivatera, sisaldab tuhandeid galaktikaid. Me näeme galaktikaparve sellisena, nagu see oli 4,6 miljardit aastat tagasi, just siis, kui Päike koos oma planeetidega tekkima hakkas. Aga galaktikaparv toimib ka gravitatsiooniläätsena ning võimendab tema taga olevate kaugemate galaktikate valgust, nii et õigupoolest näeme sel pildil isegi rohkem kui 13 miljardi valgusaasta taha. Tavavaatajal ja -lugejal ei tasu lasta end heidutada astronoomide ja füüsikute manitsusest, et infrapunakiirgust inimsilm ei näe. Niisugustel ilupiltidel on infrapunakiirgus võimalikult tõepäraselt ümber kodeeritud inimsilmale vastuvõetavasse visuaalsesse spektrialasse ja nii saame ettekujutuse, kuidas võiksime taevast infrapunasilmaga näha.

Tippteadus väikeste viperuste kiuste

Nagu esimesed avalikkuse ette toodud ilupildid, hõlmavad ka esmased teaduslikud vaatlused pea kogu astronoomiliste objektide ampluaa, millega JWST tegelema hakkab, ülikaugetest galaktikatest Päikesesüsteemi planeetide ja kuudeni. Kõige huvitavamad ja paljutõotavamad näivad esialgu infrapunased vaated eriti kaugetele ja väga noortele galaktikatele ning keemiline mitmekesisus eksoplaneetide atmosfäärides. Galaktikate puhul on üllatav nende varane teke ja erakordne heledus. Vaatlused näitavad vähemalt kaht galaktikat – aga kahtlusaluseid on veelgi –, mis särasid heledalt 350–450 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. See tähendab, et need pidid tekkima juba umbes 100 miljonit aastat pärast Suurt Pauku, palju varem, kui seni arvati. Nende noorte galaktikate ebatavaline värvus võib tähendada, et need koosnevad peamiselt nn III populatsiooni tähtedest ehk kõige ürgsematest massiivsetest tähtedest, mille keemilises koostises on ainult vesinik ja heelium ja mis kiiresti evolutsioneerudes hakkasid tootma raskemaid keemilisi elemente, milleta poleks saanud tekkida päikesetaolisi tähti ja nende planeete. Planeetidest on eespool mainitud esimese spektri näite kõrval üheks tuntumaks staariks saanud WASP-39b, mille atmosfääri spektrist on leitud vee, vääveldioksiidi (SO₂), süsinikmonoksiidi (CO), süsinikdioksiidi (CO₂), aga ka naatriumi ja kaaliumi aatomite spektrijooni. Eriti huvitav on SO₂ olemasolu, mis üsna kindlalt osutab fotokeemilistele reaktsioonidele planeedi atmosfääris tähe valguse mõjul. Niisugune detailsus annab lootust, et tulevikus võime JWST abil leida ka planeete, mille atmosfääris leiduvad keemilised ühendid viitavad elutegevusele.

Teadusartikleid JWST vaatluste põhjal ilmub juba ridamisi. Tahaks nii-öelda tutvuse poolest mainida veel üht objekti, Wolf-Rayet’ tähte WR 140, mida on palju aastaid ka Tõraveres vaadeldud. Aga selliseid visuaalselt kauneid kontsentrilisi tolmurõngaid ümber kuuma kaksiktähe, mida ilmutasid JWST pildid, ei osanud keegi varem kujutleda. Need ajakirja Nature Astronomy artiklis esitatud WR 140 vaatlused tehti keskmise infrapunakiirguse instrumendiga MIRI 8. ja 27. juulil 2022. Siin on paras koht mõneks kommentaariks JWST tervise kohta. Rahvusvahelise Astronoomialiidu (IAU) peaassambleel Lõuna-Koreas Busanis sai JWST peateadlane Klaus Pontoppidan 3. augustil ette kanda, et JWST on suurepärases korras, tema sooritusvõime on mitmes aspektis isegi parem kui oodatud. Ka tundlikkus on osutunud ennustatust kõrgemaks, nii et mõnede vaatlusprogrammide puhul on tulnud etteantud säriaegu lühendada, et kujutised nii-öelda põhja ei kõrbeks. Ainuke väike kõrvalekalle, tegelikult ka oodatav, oli meteoroiditabamus 22. ja 25. mai vahel. Tolmuterataolisi ja vahel ka suuremaid tükikesi lendab kosmilises keskkonnas pidevalt ringi, nende kiirused küünivad mitmekümne tuhande kilomeetrini tunnis. Sellega oli JWST projekteerimisel ja ehitamisel arvestatud. Mai lõpul tabas aga üht peapeegli 18 segmendist terake, mida nimetatakse küll mikrometeoroidiks, kuid mis tekitas segmendi pinnale täiesti makroskoopilise kahjustuse. Praegu ei kahanda see märgatavalt JWST vaatlusvõimekust. Küsimus on selles, et mudelarvutused ei näinud ette nii suurt meteoroidi nii lühikese aja jooksul pärast JWST jõudmist oma töökohale. Kui sellised kokkupõrked hakkavad sageli korduma, võib teleskoobi efektiivsus lähiaastatel vähenema hakata. Veidi murelikult oodatakse ka seda, et 2023. ja 2024. aastal peaks JWST läbima kanti, kus võib hõljuda jäänukeid Halley komeedi tolmusabast.

Varsti pärast IAU peaassamblee lõppu, 24. augustil andis JWST juhtmeeskond teada probleemist eelmainitud instrumendis MIRI. Ühe optilisi elemente vahetava ratta ehk turelli juures tuvastati suurenenud hõõrdumine. Igaks juhuks peatati vaatlused, mis nõudsid selle ratta kasutamist. MIRI ei jäänud sellega täiesti töövõimetuks, fotomeetrilisi vaatlusi sai ikka edasi teha. Sõita 1,5 miljoni kilomeetri kaugusele ratast vahetama või parandama pole just lihtne. Tuli loota inseneride tarkusele ja leidlikkusele. Novembri alguses leiti, et probleem pole siiski väga tõsine ja otsustati MIRI vaatlusi ka seda ratast kasutaval viisil jätkata. Loodame, et sellest suuremaid tüsistusi ei tule.

Aasta tagasi mainisime JWSTd tutvustavas artiklis kära teleskoobi nime ümber. James Webbi (1906–1992) süüdistati Riigidepartemangus ja ka NASAs töötamise ajal homoseksuaalide ahistamises ning nõuti teleskoobi ümbernimetamist. NASA sellega ei kiirustanud, aga korraldas väga põhjaliku uurimise, mille tulemusena avaldas 18. novembril 2022 89leheküljelise raporti. Enam kui 50 000 lehekülje dokumentide läbitöötamisega jõuti järeldusele, et Riigidepartemangus töötamise ajal 1949–1952 osales James Webb nn lavendlipaanikas nii palju, et üritas piirata Kongressi liikmete ligipääsu Riigidepartemangu töötajate isikuandmetele. Ühtegi vallandamise otsust ta ei teinud. Samuti ei leitud mingeid tõendeid James Webbi osalusest Clifford Nortoni vallandamises NASAst 1963. aastal, pärast seda kui Norton oli arreteeritud „homoseksuaalse lähenemiskatse“ eest. Sellega ütles NASA veel kord ei neile, kes taotlevad JWST ümbernimetamist.

Maailma kalleim teadusinstrument on edukalt tööd alustanud. On avaldatud lootust, et ta võiks töötada vähemalt 20 aastat. Meenutuseks, Hubble’i teleskoobil on käsil juba 33. aasta. Keskmiselt on igaüks maakera 8 miljardist inimesest panustanud JWSTsse ligikaudu 1,25 dollarit. Burgerit selle raha eest naljalt ei saa. Küll aga saab võrratuid vaatepilte, uusi teadmisi meie maailma algusest ja käekäigust tänapäevani. Kindlasti tuleb ka üllatuslikke avastusi. James Webbi kosmoseteleskoop on üks väheseid ilmseid tõendeid sellest, et inimene ei ole üksnes bioloogiline loom, vaid mõistusega olend, keda huvitab, millises keskkonnas ta elab.

Laurits Leedjärv on Tartu ülikooli Tartu observatooriumi kaasprofessor.

* Laurits Leedjärv, Silmade avanemise päev. – Sirp 17. XII 2021.

Silmade avanemise päev