Met zijn infrarood-ogen geeft ruimtetelescoop James Webb de wereld al een jaar lang een nieuwe blik op de kosmos

In de Tarantulanevel hebben sterren holtes uitgehouwen in het gas.

Foto NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Ruimtetelescoop Het werd het zorgenkindje van de ruimtevaart: ruimtetelescoop James Webb. Het kostte dertig jaar om het gevaarte te bouwen, de kosten liepen op tot bijna tien miljard euro en de lancering werd ruim tien jaar uitgesteld. Maar astronomen wisten het zeker: de telescoop gaat de wereld een nieuwe blik geven op de kosmos. Wat is daarvan terecht gekomen, een jaar na zijn eerste officiële foto?

De wereld keek in 2022 miljarden jaren terug in de tijd. Vanuit het Witte Huis presenteerde de Amerikaanse president Joe Biden de allereerste officiële foto van ruimtetelescoop James Webb (JWST), de grootste en krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd. Op die foto stonden extréém verre sterrenstelsels: van een aantal sterrenstelsels deed het licht er 13 miljard jaar over om naar de aarde te reizen. Dat betekent dat de telescoop licht vastlegde dat niet lang na de oerknal, na het begin van alles, verzonden werd. Astronomen riepen enthousiast dat JWST nóg beter presteerde dan verwacht.

Maar dat was slechts een voorproefje, zo blijkt na alle ‘oh’s’ en ‘ah’s’ van astronomen én mensen thuis in het jaar dat volgde. Een terugblik op een jaar lang waarnemingen van James Webb vanuit de ruime, en de aanloop daar naartoe.

Het beeld dat president Biden op 11 juli vorig jaar presenteerde, het eerste licht van JWST. Op de voorgrond staat SMACS 0723: een cluster van sterrenstelsels op 4,6 miljard lichtjaar van de aarde. Bijzonder is dat dit cluster via een kosmologisch verschijnsel de aanwezigheid van nóg verdere sterrenstelsels onthult. Die verdere sterrenstelsels liggen, vanuit de aarde gezien, achter sterrenstelselcluster SMACS 0723. Het licht dat van die verdere sterrenstelsels langs SMACS 0723 naar de aarde reist, wordt afgebogen door SMACS 0723. Dat afbuigen werkt als een soort vergrootglas waardoor de verre stelsels zichtbaar worden. De verste sterrenstelsels op de foto staan op een afstand van zo’n dertien miljard lichtjaar van de aarde en zien er door de afbuiging van het licht gekromd uit. Foto NASA, ESA, CSA, en STScI

Zo’n 13,7 miljard jaar geleden ontstond het heelal met de oerknal. Het universum was gevuld met ondoorzichtig, gloeiend heet plasma. Later ontstonden uit gas de eerste sterren en sterrenstelsels. JWST is onder meer gebouwd om naar het ontstaan van die eerste sterrenstelsels te kijken, zo’n 13,5 miljard geleden.

Om dat te doen, moet JWST waarnemen in infraroodlicht, het soort licht dat wij voelen als warmte maar niet met het blote oog kunnen zien. Omdat licht tijd nodig heeft om te reizen geldt: hoe dieper we in het heelal om ons heen kijken, hoe verder terug we in de tijd kijken. Maar licht dat van ver richting de aarde reist, wordt onderweg uitgerekt door de uitdijing van het heelal. Licht wordt uitgezonden met een bepaalde frequentie: pulsjes met pauzes ertussen. Doordat het heelal uitdijt, worden de pauzes tussen de pulsjes steeds langer. Zodra het uv-licht (korte tussenpauzes) van verre sterren de aarde bereikt heeft, is het inmiddels uitgerekt tot infraroodlicht (lange tussenpauzes). De vergulde spiegel van 6,5 meter van JWST, opgebouwd uit achttien hexagonale stukjes, weerkaatst dat infrarode licht naar zijn ultragevoelige infraroodsensoren – waar Nederland aan meebouwde.

Door gas en stof heen

Een ander belangrijk doel van JWST is om binnenin wolken van gas en stof te kijken, waarin nieuwe sterren worden gevormd. Delen van de wolk storten ineen door zwaartekracht. Het ineengestorte gebied warmt op en in de loop van miljoenen jaren wordt het een ster. Omdat infraroodlicht in tegenstelling tot zichtbaar licht door gas- en stofwolken heengaat, kan JWST binnenin die wolken kijken.

In de Carinanevel, een ijskoude wolk van gas en stof op 7.600 lichtjaar van de aarde, ontstaan nieuwe sterren.Foto NASA, ESA, CSA, and STScI

In het Kwintet van Stephan, een compact groepje sterrenstelsels op een afstand van zo’n 290 miljoen lichtjaar van de aarde, smelten twee sterrenstelsels samen (rechts in het midden). Voor deze foto van meer dan 150 miljoen pixels werden bijna duizend afbeeldingen gecombineerd. Foto NASA, ESA, CSA, and STScI

De Zuidelijke Ringnevel is een uitdijende gasschil rondom een stervende ster op zo’n 2.500 lichtjaar van de aarde. In het midden zendt de stervende ster al duizenden jaren gas en stof uit. Het blauwe is heet, geïoniseerd gas. Het rode is waterstof.

Foto NASA, ESA, CSA, en STScI

Vanuit het hart van sterrenstelsel IC 5332 strekken spiraalarmen zich uit. Die armen worden omringd met gas, stof en groepen sterren. Het stelstel staat op meer dan 29 miljoen lichtjaar van de aarde en heeft een breedte van ongeveer 66.000 lichtjaar. De foto links is gemaakt met Hubble en rechts met JWST. In de foto van Hubble lijkt het alsof er donkere banden tussen de spiraalarmen zitten, terwijl de foto van JWST duidelijke structuren ertussen laat zien. Dat komt doordat het ultraviolette licht waarin Hubble fotografeert, werd geblokkeerd door stof, terwijl JWST door dat stof heen kon kijken met infraroodlicht. De rode en blauwe bubbels zijn gebieden waar sterren geboren worden.
Foto ESA/Webb, NASA en CSA

Deze stof- en gaswolk in de vorm van een hand met drie vingers heet de Pilaren der Creatie en staat op 6.500 lichtjaar van de aarde. De lengte van de linkerpilaar wordt geschat op vier á vijf lichtjaar. Hubble fotografeerde de wolk in 2014 (links) en JWST in 2022 (rechts). Omdat JWST door gas- en stofwolken heen kan kijken, onthult de telescoop honderden, voorheen onzichtbare sterren in wording. Foto’s ESA/Webb, NASA en CSA

Veertien jaar uitstel

De bouw van zo’n krachtige infratelescoop was niet makkelijk. Het koste ingenieurs over heel de wereld zo’n dertig jaar, de prijs liep op tot bijna tien miljard euro, ruim boven het oorspronkelijke budget, en de lancering werd in totaal zo’n veertien jaar uitgesteld. JWST is een gezamenlijk project van NASA, de European Space Agency en de Canadian Space Agency.

Een ingenieur staat voor de telescoopspiegels van JWST in een testkamer in Amerika. Foto David Higginbotham/NASA

De spiegels en instrumenten van JWST liggen klaar in de cleanroom van NASA Goddard om ingepakt te worden voor verscheping naar het Johnson Space Center in Houston in 2017. In Houston deden ingenieurs testen met de telescoop in een extreem koude omgeving, vergelijkbaar met de ruimte.Foto Desiree Stover/NASA

Om het infrarode licht op te vangen, moest JWST naar de ruimte. Infraroodlicht kan niet opgevangen worden met telescopen op de grond, want dat licht wordt geblokkeerd door de atmosfeer van de aarde. De telescoop draait rondjes om de zon, anderhalf miljoen kilometer verder dan dat de aarde om de zon cirkelt. JWST doet dat op een plek, lagrangepunt L2, waar hij precies genoeg aangetrokken wordt door de zwaartekracht van de zon en aarde om in lijn te blijven met de aarde. Dat is handig voor de communicatie met de telescoop.

Het infrarode licht uit de ruimte is heel zwak wat het nauwelijks te onderscheiden maakt van het infrarode licht dat andere objecten zoals de aarde uitstralen. Een groot zeil met het oppervlak van een tennisbaan (ruim 21 bij 24 meter) beschermt de instrumenten tegen het infrarode licht van de zon, de aarde en de maan en van wat de telescoop zelf uitstraalt. De warme kant van het zeil die naar de zon gericht staat loopt op tot zo’n honderd graden Celsius. Aan de koude kant, waar de waarnemingsinstrumenten zitten, is het ruim tweehonderd graden Celsius onder nul.

Oeroude sterrenstelsels

Vanuit de ruimte heeft JWST de wereld een nieuwe blik op de kosmos gegeven met zijn ultragevoelige infrarood-ogen. Bovendien zijn de gegevens over oeroude sterrenstelsels en het binnenste van gas- en stofwolken goud waard voor de astronomie. Beelden van JWST verrasten astronomen bijvoorbeeld omdat ze erop wezen dat er in het heelal mogelijk veel meer oude sterrenstelsels zijn dan kosmologische computermodellen hadden voorspeld. „En we leren over de samenstelling van de atmosferen van exoplaneten [werelden die om een andere ster dan de zon cirkelen]”, zegt Ewine van Dishoeck, astronoom aan de universiteit Leiden en al dertig jaar betrokken bij de ontwikkeling van JWST. „En de data zijn allemaal zoveel beter en makkelijker om te zien dan met eerdere instrumenten.”

De telescoop zal naar verwachting in totaal zo’n vijf tot tien jaar meegaan. JWST is kwetsbaar. De spiegelsegmenten zitten aan elkaar vast met verbindingen zo klein als een pepermuntje. In tegenstelling tot vroeger bij de ruimtetelescoop Hubble, kunnen astronauten JWST niet bezoeken voor reparatie. Daarvoor staat de telescoop te ver van de aarde.

In juni dit jaar vonden astronomen met JWST complexe organische moleculen in een melkwegstelsel, SPT0418-47, op meer dan 12 miljard lichtjaar van de aarde. In het blauw is een ander sterrenstelsel te zien, dat drie miljard lichtjaar van de aarde verwijderd is en precies voor het sterrenstelsel staat waarbij de moleculen zijn gevonden. Dat sterrenstelsel is rood gemaakt en het licht ervan werd vergroot en afgebogen door de massa van het stelsel ervoor, waardoor het een soort ring lijkt. De complexe moleculen kleuren oranje. Het gaat om het molecuul polycyclische aromatische koolwaterstof. Op aarde zijn deze moleculen te vinden in de uitlaatgassen van verbrandingsmotoren of bosbranden. De waarneming helpt astronomen de chemische interacties die plaatsvonden in de eerste sterrenstelsels in het universum en de rol hiervan bij stervorming te begrijpen. Foto J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA

Jupiter, Uranus, Neptunus en Saturnus door de ogen van JWST. Aan de polen van Jupiter is poollicht te zien. In geel en groen zijn nevels te zien die rondom de polen hangen. De witte vlek op Jupiter is een gigantische wervelstorm die in theorie de aarde zou kunnen opslokken. Van Uranus en Neptunes zijn de ringen goed te zien.
Foto’s Foto NASA, ESA, CSA, en STScI

JWST laat niet eerder vertoonde details zien van Cassiopeia A, een restant van een geëxplodeerde ster op ongeveer 11.000 lichtjaar van de aarde. Het restant omspant ongeveer tien lichtjaar. Een schil van heet stof, hier oranje weergegeven, omringt het restant van de geëxplodeerde ster. Dat stof warmt op doordat materiaal van de ontplofte ster er tegenaan duwt. Binnenin zitten rozige draden, dat is materiaal van de geëxplodeerde ster zelf. Foto NASA, ESA, CSA, Danny Milisavljevic (Purdue University), Tea Temim (Princeton University), Ilse De Looze (UGent)

Dit sterrenstelsel, de Cartwheel Galaxy, ligt op ongeveer vijfhonderd miljoen lichtjaar afstand en kreeg zijn wielachtige vorm door een botsing honderden miljoenen jaren geleden tussen twee sterrenstelsels. Een kleiner sterrenstelsel ging als een kogel door een groter sterrenstelsel heen waarbij het de richting van de sterren in het grote sterrenstel veranderde door de zwaartekracht. Foto NASA, ESA, CSA, STScI

Duizenden sterren glinsteren in sterrenstelsel NGC 5068, op ongeveer zeventien miljoen lichtjaar van de aarde. Foto ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee en de PHANGS-JWST Team