NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu, erken evreni incelemek için destansı görevine başladı…

25 Aralık 2021 tarihinde Fransız Guyanası’nın Kourou kentindeki Avrupa Uzay Limanı’ndan Türkiye saati ile 15.20’de bir Ariane 5 roketi ile merakla beklenen, uzun süredir ertelenen James Webb Uzay Telekobu fırlatıldı. 10 milyar dolar değerinde kargoya sahip olan roketin bu fırlatılışını dünya çapında sayısız astronom, astrofizikçi ve gezegen bilimcisi umutla bekliyordu.

Şekil 1. NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu, 25 Aralık 2021’de Ariane 5 roketi ile fırlatılma anı. (NASA TV)

Devasa teleskop, her şey planlandığı gibi giderse, önümüzdeki beş ila 10 yıl boyunca evrenin ilk yıldızlarına ve galaksilerine bakacak, yakındaki yabancı gezegenlerin atmosferlerini inceleyecek ve yüksek profilli çeşitli çalışmalar yapacak.

NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden Webb Kıdemli Proje Bilim İnsanı Jonathan Gardner, Space.com’a verdiği demeçte, Webb “NASA’nın şimdiye kadar yaptığı en karmaşık şey” olduğunu belirtti.

Otuz yıllık çalışma

Webb, otuz yılı aşkın bir süredir çalışılmaktadır. İlk olarak Eylül 1989’da, bir grup gökbilimcinin, Hubble Uzay Teleskobu’nun olası bir halefini tartışmak üzere Baltimore’daki Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nde bir araya gelmesi ile başladı.

Hubble henüz fırlatılmamıştı bile, ancak büyük uzay teleskoplarının planlanması ve inşa edilmesi uzun zaman alıyordu, bu nedenle de astronomi topluluğu on veya yirmi yıl önceden düşünmeye eğilimli olmaktadır. Bu özel durumda, Hubble ile ardılı gayri resmi olarak adlandırılan bir “Yeni Nesil Uzay Teleskobu” ile arasında uzun bir gözlem boşluğu olasılığını en aza indirmek için güçlü bir istek oluşmuştu.

Hubble Uzay Teleskobu Nisan 1990’da Dünya yörüngesine başarılı bir şekilde fırlatılmış ancak kısa süre sonra bir şeylerin çok yanlış olduğu anlaşılmıştı; teleskobun Dünya’ya gönderdiği ilk görüntüler hayal kırıklığı yaratacak kadar bulanıktı. Hubble, aynasındaki problem nedeni ile Aralık 1993’teki servis uçuşu sonrasında gözlemlere başlayabilmiştir. Uzay yürüyüşü yapan astronotlar, Hubble’ın 2,4 metre genişliğindeki birincil aynasında bulunan bir kusuru telafi eden düzeltici optikler ekleyerek teleskobu onarmayı başardılar. Bu açıdan uzayda bakımı astronotlar tarafından yapılacak şekilde tasarlanmış tek teleskoptur ve toplamda beş bakım uçuşu gerçekleştirilmiştir. Hala gözlemlere devam eden bu teleskobun yerini alacak olan James Webb Uzay Teleskobu ise Hubble Teleskobunun aynasından 6 kat daha büyük bir aynaya sahiptir ve bu haliyle Hubble’ın 100 katı gücünde olduğu söylenebilir.

Şekil 2. Hubble Uzay Teleskobu ile James Webb Uzay Teleskobunun ölçekli karşılaştırılması. (Animasyon: ESA / M. Kornmesser)

1990’ların ortalarında, Yeni Nesil Uzay Teleskobu’nun çok erken evreni incelemesi gerektiği konusunda bir fikir birliği ortaya çıktı. Hubble’ın o zamana kadar Büyük Patlama’dan (13.8 milyar yıl önce meydana gelen) sadece bir milyar yıl sonrası için kozmosa bakış sağlamıştı. Ancak astronomi topluluğu, ideal olarak, evrenin varlığının ilk birkaç yüz milyon yılında oluşmuş olan ilk yıldızların ve gökadaların çağına kadar, daha da derinden araştırmak istiyordu.

Bu istek, yeni teleskobun, ısı olarak hissettiğimiz kızılötesi ışığı algılamak ve analiz etmek için optimize edilmesi gerektiği anlamına geliyordu.  Bu esas olarak görsel ve morötesi (ultraviyole) dalga boylarında gözlem yapan Hubble’dan önemli bir fark. Ne de olsa, ilk yıldızlardan ve galaksilerden gelen görsel ve maviötesi ışınımlar, evrenin devam eden genişlemesiyle o kadar uzadı ki, şimdi onları daha uzun olan kızılötesi dalga boylarında görüyoruz. Kızılötesi ışık, yüksek enerjili emsallerinden daha iyi hareket eder ve kozmosu bloke edici toz ve gaz bulutlarına daha kolay nüfuz eder.

Smith, Yeni Nesil Uzay Teleskobu’nun temel tasarımının 1996 yılına kadar hemen hemen tamamlandığını söylemişti. O zamanlar, araştırmacılar güçlü gözlemevinin yaklaşık 1 milyar dolara mal olacağını ve 2007’de tamamlanacağını tahmin etmişlerdi. Şimdi gördüğümüz kadarı ile bu rakamlar oldukça iyimser kaldı. James Webb Uzay Teleskobunun son maliyeti 10 milyar dolar oldu ve ancak 2021 Aralık’ta uzaya fırlatılabildi.

Gökyüzündeki oldukça güçlü ve karmaşık bir göz

Webb her zaman olağanüstü büyük ve karmaşık bir makine olacaktı. Onun iddialı gözlem hedefleri kadar dikte edilmiştir.

Örneğin, teleskop bilimsel araçlarını aşırı soğuk tutmalıdır; onlardan herhangi bir önemli ısısal salınım, Webb’in peşinde olduğu zayıf kızılötesi sinyallerini boğacaktır. Gözlemevi için hedef çalışma sıcaklığı, uzay aracının iki yönlü bir strateji ile elde edeceği -220 °C civarındadır. Bu stratejilerden biri, her biri bir tenis kortu büyüklüğünde olan beş katmanlı güneşliğidir. Diğeri ise uzaydaki konumudur; Webb, Dünya yörüngesine değil, gezegenimizden Güneş ile Dünya ikilisine ait Lagrange Noktası 2 (L2) olarak bilinen 1.5 milyon kilometre uzaklıkta kütle çekimi açısından kararlı bir noktaya gönderilmektedir. Bu uzaklık teleskoba herhangi bir servis uçuşunun da yapılamayacağı anlamına gelmektedir. L2, astronotların ziyaret etmesi için çok uzaktır, bu nedenle de Webb orada kendi başına olacak; Hubble benzeri servis görevleri, dev yeni teleskop için planlanmamıştır.

NASA yetkililerine göre bu yörüngeyle ilgili özel olan şey, teleskopun güneşin etrafında hareket ederken Dünya ile aynı hizada kalmasına izin vermesidir. Bu, uydunun geniş güneş korumasının teleskobu Güneş’in ve Dünya’nın (ve hatta Ay’ın) ışığından ve sıcaklığından korumasını sağlamaktadır.

Tamamen uzatılmış güneşlik ve ana ayna, Ariane 5’in veya şu anda çalışır durumdaki herhangi bir roketin yük kompartımanına veya koruyucu “burun konisi” içine sığmayacak kadar geniştir. Bu nedenle hem güneşlik hem de ana ayna katlanmış kompakt bir konfigürasyondadır ve Webb’in uzayda kaldığı süre zarfı boyunca yavaş yavaş açılacaktır.

Ayna, her biri berilyumdan yapılmış ve ince altın bir tabakayla kaplanmış 18 altıgen parçadan oluşmaktadır. Birleştirilmiş bu 18 parça Dünya’da sadece 625 kilogram ağırlığındadır – ışık toplama alanının sadece altıda birine sahip olan Hubble’ın tek parça birincil aynasından yaklaşık 360 kg daha az. James Webb’in toplam kütlesi yaklaşık 6.500 kg.’dır ve bu ağırlık Hubble’ın yarısından biraz fazladır.

Her şey plana göre giderse, teleskop, gece gökyüzünde teleskop olmadan görebileceğiniz en sönük yıldızdan 10 milyar kat daha sönük kozmik nesneleri tespit edebilecek. Bu, Hubble’ın gözlemleyebileceği her şeyden 10 ila 100 kat daha zayıf olduğunu anlamına gelmektedir. Webb’in görüşü o kadar keskin olacak ki, 40 km uzaklıktan bulunan bir kuruş büyüklüğündeki paranın detayları görülebilecek.

Şekil 3. NASA, James Webb Uzay Teleskobu’nu yörüngeye girdikten sonra koruyacak olan beş katmanlı güneş kalkanının yerleşimini ve gerilimini testinden bir fotoğraf. (Chris Gunn/NASA)

Teleskop, güneş koruma kalkanı, tüm gözlemsel aletler, uzaya gönderilecek olan her şey fırlatma sırasında alacağı seviyelerde titreşim ve akustik testlerden geçmesi gerekiyordu. Ardından bir vakum odasına konması ve her şeyin vakumda teleskobun çalışma sıcaklığında çalıştığından emin olunması gerekiyordu. Tüm bu testler, uzayda teleskobun doğru çalışacağından emin olmak içindir. Bazen testlerde yanlış bir şeyler bulunurdu ve geri dönüp düzeltilip, ardından testin yeniden tekrarlanması gerekmektedir. James Webb Uzay Teleskobunda bu birkaç kez oldu ve temelde teleskobun yapımının planlanandan bu kadar uzun sürmesinin nedeni bu olarak açıklanmaktadır.

Şekil 4. James Webb Uzay Teleskobu’nun birincil aynası. (NASA/Chris Gunn)

Bunu birkaç küçük gecikme daha izledi, ancak Webb nihayet 2021 Aralık’ta, başlangıçta beklenenden 14 yıl sonra yola çıktı. Yaklaşık 10 milyar dolarlık nihai fiyat etiketi de umulduğundan daha yüksek oldu. Bu çok para ama bu kadar büyük ve karmaşık bir uzay görevi için tam olarak sınırların dışında olduğu söylenemez. Örneğin, ABD Ulusal Bilimler, Mühendislik ve Tıp Akademileri’nin 2017 tarihli bir raporu, Hubble’ın bu noktada kümülatif maliyetinin yaklaşık 11,3 milyar dolar olduğunu tahmin etmektedir (2015 yılı kurlarına göre).

İlk ışık makinesi

Gökbilimciler tarafından bazen ‘ilk ışık makinesi’ olarak anılan James Webb Uzay Teleskobu, Büyük Patlama’dan sadece birkaç milyon yıl sonra, evrenin ilk zamanlarında toz ve gazdan ortaya çıkan ilk yıldızları ve gökadaları görmek için inşa edildi.

Bu yıldızlar ve gökadalar çok uzakta oldukları için, evren sadece birkaç yüz milyon yaşında iken yaydıkları görünür ışık, elektromanyetik tayfın yakın kızılötesi ve kızılötesi kısmına kaymıştır. Astronomik jargonda kırmızıya kayma olarak bilinen bu garip etki, evrenin genişlemesinin ve ardından gelen Doppler etkisinin bir sonucudur. Bu, geçen bir ambulans arabasının sireninin çıkardığı sesin frekansını bozan etkinin aynısıdır.

Kızılötesi ışınımı esasen ısıdır ve görünür ışığı duyarlı algılayıcılardan farklı özel sensörlerle algılanabilir. JWST’nin incelemek için tasarlandığı yıldızlar ve gökadalar çok uzakta olduğundan, gelen sinyaller de son derece zayıftır. JWST’nin arkasındaki bilim insanları ve mühendisleri, bu umut edilen algılamayı mümkün kılmak için bir dizi teknik engelle mücadele etmesi gerekti.

Kritik günler önümüzde

Webb şimdi uzayda, ancak devasa teleskobun bilim çalışmasına başlayabilmesi için yapılması gereken çok iş var.

Öncelikle Webb’in yukarıda da bahsedilen L2 konumuna ulaşması yaklaşık bir ay sürecektir. Devasa teleskoba bir dizi önemli konuşlandırmada rehberlik edecek olan Webb ekibi için aksiyon dolu bir yolculuk olacak.

Şekil 5. NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu, 25 Aralık 2021’de fırlatılmasının ardından Ariane 5 roketinden ayrıldıktan sonra güneş dizisini yerleştiriyor. (NASA TV)

Belki de en sinir bozucu hareket, fırlatmadan sonraki ilk hafta içinde gerçekleşmesi planlanan güneşliklerin açılması olacak. NASA yetkilileri geçtiğimiz günlerde bir açıklayıcı videoda, güneşlik sisteminin 140 serbest bırakma mekanizması, 70 menteşe takımı, 400 makara, 90 kablo ve 8 yerleştirme motoruna sahip olduğunu ve bunların hepsinin beş ince zarın uzatılması için doğru şekilde çalışması gerektiğini söyledi.

18 ayna parçasını düzgün bir şekilde konumlandırmak da pek kolay olmayacaktır. Gardner’a göre; Webb’in planlandığı gibi çalışması için ayna yüzeyinin 150 nanometre hassasiyetle hizalanması gerekmektedir. Karşılaştırma için; bir insan DNA dizisi yaklaşık 2,5 nanometre genişliğindedir. Gardner ayrıca şu açıklamayı yaptı; “Bilim insanlarımızdan biri, aynaları inanılmaz derecede hassas bir şekilde sıralarken, çimlerin büyümesinden kelimenin tam anlamıyla daha yavaş hareket ettirdiğimizi hesapladı.”

Bu tür şeyler üzerinde durmaktan hoşlanıyorsanız, yanlış gidebilecek pek çok başka şey de vardır. Bir kez fırlatıldığında, başarılı olması için hala mükemmel çalışması gereken 300 şey vardır.

Her şey mükemmel gitse bile, Webb’in tüm sistemlerinin ve araçlarının tamamen hazır olması yaklaşık altı ay sürecek; buna göre düzenli bilim operasyonlarının 2022 yazında başlamasının beklenmektedir.

Webb, en az önümüzdeki beş yılını dünya çapındaki bilim insanları tarafından önerilen çeşitli projeler üzerinde kozmosu gözlemleyerek geçirecek.

Çoğu araştırma, Büyük Patlama’dan sonra oluşan ilk yıldızları ve gökadaları aramak üzerine olacak; gökada evrimi, yıldız ve gezegen oluşumu üzerine önemli bilgiler elde edilecek; yakınlardaki ötegezegen sistemlerini, özellikle de bildiğimiz şekliyle yaşamı destekleyebilecek olanlarını karakterize etmeye yardımcı olacak çalışmalar gerçekleştirilecektir.

Ancak Webb, Hubble gibi inanılmaz derecede çok yönlü bir makinedir. Dolayısıyla, gökbilimcilerin kendi güneş sistemimiz ve daha geniş kozmos hakkındaki anlayışlarını henüz tam olarak kavrayamadıkları şekillerde genişleterek, şüphesiz çok daha fazlasını da yapacaktır.

Muhtemelen en heyecan verici şeyler, şimdiye kadar düşünmediklerimizdir – ve bu teleskop beklenmedik yepyeni keşifler yapacak. İşte tam da bu, bilim yapmanın heyecanıdır.

Hazırlayan: Dr. Tuncay DOĞAN

Kaynakça:

https://www.space.com/nasa-james-webb-space-telescope-launch-success

https://www.space.com/james-webb-space-telescope-engineering-challenges