Novērosim paši savu radīšanu. Kāpēc Veba teleskops ir viens no aizraujošākajiem jaunumiem zinātnē? 7
Rūdolfs Treilis, fiziķis, studē Daremas (Anglija) Universitātē doktorantūrā, “Latvijas Avīze”, AS “Latvijas Mediji”
No Kurū kosmodroma Franču Gviānā sestdien, 25. decembrī, tika palaists kosmosā visu laiku jaudīgākais teleskops, kas nosaukts bijušā NASA vadītāja Džeimsa Veba vārdā. Teleskopam, ar kuru paredzēts pētīt Visuma vecākās galaktikas, galamērķis 1,5 miljonu kilometru attālumā jāsasniedz pēc četrām nedēļām. Par šo zinātnei tik svarīgo notikumu “Latvijas Avīzē” jau vēstījām 21. decembrī. Šajā numurā publicējam fiziķa Rūdolfa Treiļa rakstu.
Pirms aptuveni 14 miljardiem gadu viss redzamais Visums ietilpa sērkociņu kastītē. Tas sastāvēja no eksotisku elementārdaļiņu zupas, kas vienmērīgi izpletās visos telpas virzienos un bija uzkarsēta līdz temperatūrai, kura salīdzinājumā ar mūsu Sauli šķiet pavisam vēsa. Apmēram sekundi vēlāk pāri bija palikušas tikai mums daudz pazīstamākas daļiņas – protoni, elektroni un neitroni –, taču Visums vēl joprojām bija ārkārtīgi karsts.
Šajā pirmatnējā smēdē tika izkalti pirmie smagākie elementi – hēlijs un litijs –, tomēr jau trīs minūtes vēlāk Visums bija pietiekami atdzisis, lai kodolreakcijas vairs nebūtu termodinamiski iespējamas. Tas iegrima dziļā tumsā, pilnā ar kvēlojošu plazmu, kura, paradoksāli, bija pašas izstarotajai gaismai necaurspīdīga.
Situācija palika nemainīga nākamos 400 000 gadus, līdz beidzot Visums bija pietiekami atdzisis, lai plazma varētu kondensēties. Pēkšņi telpu piepildīja milzīgi ūdeņraža un hēlija mākoņi, kas kļuva caurspīdīgi sākotnējai, no radīšanas brīža pārpalikušajai blāzmai. Šīs gaismas fotoni uzsāka garu un vienmuļu ceļu caur tagad daudz tukšākajam Visumam, līdz 13,8 miljardus gadu vēlāk daži no tiem trāpīja pa nelielu satelītu, kurš kādā tāltālā galaktikā bija ievietots orbītā ap kādu neizteiksmīgu planētu.
Ir pārsteidzoši, cik daudz informācijas par Visuma vēsturi šīs planētas iedzīvotāji varēja iegūt, apskatot tikai kripatiņu no šķietami bezgalīgās mīklas. Viņi novēroja, ka agrīnais Visums bija gandrīz perfekti homogēns un to piepildošā gāze lieliskā termiskā līdzsvarā. Tomēr tajā atradās nelieli matērijas sablīvējumi, kā arī punkti, kuru temperatūra nedaudz svārstījās ap noteikto vidējo vērtību.
Laika gaitā šie sablīvējumi auga un ietvēra sevī arvien lielāku daudzumu apkārt esošās gāzes; tie uzkarsa un sāka kvēlot uz apkārtējā, vienmērīgā fona. 180 miljonus gadu vēlāk no šiem pirmatnējiem aizmetņiem piedzima pirmās zvaigznes. Tās bija košākas un lielākas nekā zvaigznes, ko redzam mūsdienās, un to dzīve, kaut gan pavisam īsa, beidzās ar grandioziem sprādzieniem, kuru rezultātā Visums tika piepildīts ar daudz smagākiem elementiem. Šie elementi gravitācijas dēļ laika gaitā sāka salipt kopā, un miljardiem gadu vēlāk izveidojās jau pieminētā, neizteiksmīgā planēta un tās iedzīvotāji. Lai gan šī planēta tik tiešām neizcēlās uz apkārtējā fona, tās iemītnieki bija īpaši un ar ziņkārību apveltīti; tie šobrīd grasās pavērst pavisam jaunu teleskopu tumšajās debess dzīlēs un novērot paši savu radīšanu.
Tehnoloģiju brīnums
Džeimsa Veba teleskops ir absolūts inženierzinātnes un tehnoloģiju brīnums. Tā radīšanā piedalījās NASA (no Amerikas), ESA (no Eiropas) un CSA (no Kanādas), un tā kopējās izmaksas ir aptuveni 10 miljardi dolāru.
Šis teleskops neizmantos redzamo gaismas spektra daļu, bet gan nedaudz garākus viļņa garumus, ko sauc par infrasarkano starojumu. Šādu izvēli motivē šim teleskopam noteiktie mērķi – ieskatīties senākā Visuma vēsturē, nekā jebkurš teleskops līdz šim ir spējis. Lai gan pirmatnējās zvaigznes, kuras aprakstīju iepriekš, to dzīves laikā pārsvarā izstaroja redzamajā un ultravioletajā spektra daļā, Visuma izplešanās dēļ šī gaisma mūsdienās ir izstiepusies infrasarkanajā starojumā, ko Džeimsa Veba teleskops varēs uztvert.
Šī spektra izvēle gan ir ievērojami apgrūtinājusi tā novietojumu un konstrukciju, jo jebkurš uzkarsēts ķermenis (piemēram, šis pats teleskops) izstaro infrasarkano starojumu, kurš var absolūti nomākt jebkādu optisku signālu no Visuma dzīlēm. Un šī problēma noteikti nav tikai teorētiska – objekti, kurus ceram ieraudzīt caur tā optisko sistēmu, ir apmēram 10 reižu mazāk spoži par nelielu lasāmlampu, kas būtu novietota uz Mēness virsmas un uz ko mēs skatītos no Zemes.
Tas nozīmē, ka teleskopam jāatrodas ļoti tālu no jebkura infrasarkana avota (Zemes un Mēness) un tas jāatdzesē līdz neticami zemai temperatūrai (mazākai nekā 50 K, Celsija skalā tie būtu – 223 grādi). Tas tiek panākts, novietojot to vienā no Lagranža punktiem L2 (skat. attēlu) un aizsargājot to no Saules sildošā starojuma ar lielu folija vairogu. Jebkuru divu gravitacionāli saistītu ķermeņu orbītā ir iespējams identificēt piecus īpašus (Lagranža) punktus. Šajos punktos novietots neliels ķermenis saglabās savu orientāciju attiecībā pret diviem lielajiem ķermeņiem, un tā stabilai kustībai ir jāpatērē ļoti maz degvielas.
Veba teleskopam tika izvēlēts punkts L2, kurš atrodas vistālāk no Saules un ir pietiekami tuvs Zemei, lai teleskopu pārvietojošā raķete tajā varētu nokļūt dažu nedēļu laikā (tas atrodas pusotru miljonu kilometru no Zemes).
Taču, novietojot teleskopu šajā punktā, to nepārtraukti bombardēs no Saules nākošā gaisma, kas to uzkarsētu līdz pārāk augstai temperatūrai, un tas nevarētu funkcionēt. Lai šo problēmu atrisinātu, Zemes un Saules virzienā to aizsargā ar alumīniju noklāts vairogs, kas Saules gaismu nevis absorbē, bet gan atstaro, pasīvā veidā dzesējot teleskopu (tā centrālajai daļai gan ir nepieciešama arī aktīva dzesēšana, izmantojot termoakustisku ierīci, kas izstrādāta tieši šim projektam).
Ar zeltu noklāts spogulis
Arī teleskopa optika ir ievērības cienīga. Tā centrālā ar zeltu noklātā spoguļa diametrs ir lielāks nekā seši metri, un tas ir nopulēts ar precizitāti, kas salīdzināma ar nieka 50 atomiem (piemēram, atsevišķa mata platums ir apmēram 20 000 atomu). Zelta izvēle spoguļa noklāšanai, iespējams, šķiet dīvaina, jo optiskajā spektra daļā tas tik tiešām nav vislabāk atstarojošais materiāls, taču infrasarkanajai gaismai situācija ir atšķirīga un – apvienojumā ar zelta relatīvi labo izturību pret zemām temperatūrām – tā bija labākā izvēle.
Lielāka spoguļa diametra izvēle uzlabo tā sniegumu divos veidos – pirmkārt, tas ir spējīgs savākt vairāk gaismas un uztvert blāvākus objektus, otrkārt, gaismas viļņveida daba ierobežo maksimālo izšķirtspēju, un lielāks diametrs atļauj izšķirt mazākus leņķus.
Habla teleskopa (par kura pēcnācēju Veba teleskopu varētu uzskatīt) spoguļa diametrs bija tikai divi metri, tātad varam sagaidīt ievērojamus uzlabojumus optiskajā kvalitātē (izšķirtspēja gan būs Habla teleskopam identiska, jo gaismas difrakciju ietekmē arī tās viļņa garums, kas Veba teleskopam ir lielāks).
Taču no Habla teleskopa vēstures iespējams iegūt arī vērtīgas atziņas un identificēt potenciālus riskus, kas varētu skart Veba teleskopu. Kad Habla teleskops oriģināli tika ievietots orbītā, tā spogulī bija neliels defekts – tas bija nopulēts neprecīzi par nieka apmēram vienu piecdesmito daļu no mata platuma. Taču defekts bija pietiekami liels, lai visas no teleskopa atsūtītās bildes izskatītos izplūdušas. Habla pirmajā apkopes misijā vajadzēja tam pievienot adaptīvu optiku, kas defektu izlaboja. Veba teleskopam šāda iespēja neeksistēs, jo tas atradīsies pārāk tālu no Zemes, lai cilvēks līdz tam varētu nokļūt, tādēļ kļūdas nedrīkst pieļaut. Lai izvairītos no šādas katastrofālas varbūtības, Veba teleskopa spoguļiem ir pievienots motors, kas atļaus ārkārtīgi precīzi kontrolēt to izliekuma rādiusu – un attiecīgi fokusa attālumu.
Uztraukuma pilnas dienas
Veba teleskopu palaida orbītā 25. decembrī. Tā bija aizraujoša, uztraukumu pilna diena visā astrofiziķu un astronomu komūnā, kam sekos līdzīgas spriedzes pilnas 30 dienas, kuru laikā teleskops būs nokļuvis L2. Ir ļoti daudz kritisku punktu, sākot ar spoguļu izdzīvošanu palaišanas laikā – līdz tā automātiskajai montāžai, atrodoties jau orbītā, un beidzot ar Saules aizsargvairoga pareizu atvēršanu.
Daudzi fiziķi un inženieri ziedojuši lielāko daļu savas karjeras šim brīdim, un nu tas beidzot pienāca! Ja palaišanas process noslēgsies veiksmīgi un teleskops funkcionēs, mēs varēsim ieskatīties mūžsenā Visuma vēsturē. Būs iespējams redzēt pirmās galaktikas un zvaigznes; labāk saprast, kāda loma Visuma struktūrā ir supermasīvi melniem caurumiem, un vai tie ir nepieciešami kā dīgļi galaktiku veidošanās procesā; ieraudzīt daudzas jaunas eksoplanētas – varbūt pat kādu, kas ir līdzīga Zemei – un potenciāli izšķirt to atmosfēras spektrogrammas, no kurām iespējams izsecināt to ķīmisko sadalījumu un pateikt, vai uz planētas virsmas varētu būt dzīvība. Lai gan mana fiziķa dvēsele kliedz, ka tā ir tikai māņticība, es 25. decembrī turēju un joprojām turu īkšķi!
