Achtergrond

Kunnen de opvolgers het succes van de iconische ruimtetelescoop evenaren?


30 jaar Hubble Space Telescope

Govert Schilling | donderdag 23 april 2020
Astronomie & Ruimtevaart

Vrijdag 24 april is het dertig jaar geleden dat de Hubble Space Telescope werd gelanceerd. Hubble is zonder twijfel de meest succesvolle telescoop in de geschiedenis. In elk deelgebied van de astronomie heeft hij revolutionaire nieuwe ontdekkingen en inzichten opgeleverd. De opvolger van Hubble staat inmiddels in de startblokken, en er wordt ook al nagedacht over de opvolger van de opvolger. Die toekomstige ruimtetelescopen ontberen echter één uniek aspect waar Hubble zijn succes aan te danken heeft: de mogelijkheid om in de ruimte onderhoud te plegen en reparaties uit te voeren.

Met een diameter van 2,4 m is de hoofdspiegel van de ruimtetelescoop kleiner dan die van grote aardse telescopen, maar vanuit zijn 550 km hoge omloopbaan heeft Hubble een ongehinderde kijk op de kosmos en kan hij details van 0,05 boogseconden onderscheiden (de maan is 1.800 boogseconden). Het instrument, genoemd naar de Amerikaanse kosmoloog Edwin Hubble, meet ca. 13,2 bij 4,2 m en had een lanceergewicht van ruim 11 ton. Na jaren van vertraging, onder andere door het ongeluk met de spaceshuttle Challenger in 1986, werd Hubble in 1990 gelanceerd.

Kort na de lancering bleek dat de hoofdspiegel weliswaar zeer nauwkeurig was geslepen en gepolijst (met een precisie van 10 nm), maar dat hij niet de juiste vorm had: aan de buitenrand was de spiegel 2,2 μm ‘te vlak’. Dat resulteerde in sferische aberratie, met als gevolg onscherpe beelden. Het euvel werd in december 1993 verholpen: tijdens de eerste onderhoudsvlucht plaatsten shuttle-astronauten speciaal ontworpen correctie-optiek in de lichtweg. Zonder de mogelijke inzet van zo’n ‘ruimtewegenwacht’ zou het Hubble-project een fiasco zijn geworden.

Later vonden nog vier onderhouds- en reparatievluchten plaats: in februari 1997, december 1999, maart 2002 en mei 2009. In de loop van de jaren zijn de meeste vitale onderdelen van Hubble vervangen. In zekere zin draait er momenteel een compleet andere – en veel betere – telescoop rond de aarde dan dertig jaar geleden; alleen de hoofdspiegel is nog dezelfde. ‘Dankzij al die onderhoudsvluchten is Hubble momenteel in topvorm,’ aldus wetenschappelijk projectleider Jennifer Wiseman van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, eerder dit jaar op een seminar ter gelegenheid van Hubbles dertigste verjaardag.

Nieuwe instrumenten

Voor de wetenschap was het vooral van belang dat de ruimtetelescoop keer op keer kon worden uitgerust met nieuwe, gevoeliger instrumenten, met modernere ccd-detectoren, een groter golflengtebereik, en een veel hogere resolutie. Met name de Advanced Camera for Surveys (geplaatst in 2002) en de Wide Field Camera 3 (2009) leveren spectaculaire foto’s op. ‘De kracht van beelden moet niet worden onderschat, ook niet voor professionele astronomen,’ aldus Hubbles nieuwsdirecteur Ray Villard.

De zonnepanelen van de ruimtetelescoop, vervaardigd door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, zijn inmiddels ook al twee keer vervangen. De huidige exemplaren, geplaatst in 2002, zijn 30% kleiner dan de vorige (7,1 x 2,6 m), maar door het gebruik van galliumarsenidecellen in plaats van siliciumcellen, en door een efficiëntere vermogensregeleenheid, is de opbrengst toch 20% hoger: 2,8 kW. Ook de nikkelwaterstofbatterijen, die energie leveren wanneer Hubble zich tijdens elke omloop 36 minuten lang in de schaduw van de aarde bevindt, zijn in 2009 vervangen.

Tot slot was het bij vrijwel elke servicebeurt nodig om een of meer gyroscopen van de ruimtetelescoop te vervangen. Samen met de Fine Guidance Sensors en een set reactiewielen zorgen de gyroscopen ervoor dat Hubble gedurende lange tijd met een precisie van 0,007 boogseconden op een bepaalde plaats aan de hemel gericht kan blijven. Het zijn echter kwetsbare instrumenten; van de zes nieuwe die in 2009 zijn geplaatst, hebben er inmiddels drie de geest gegeven.

‘Indien nodig kan Hubble ook met één gyroscoop nog blijven werken,’ aldus Wiseman, ‘maar idealiter zijn er drie in bedrijf.’ Omdat de spaceshuttle in 2012 uit de vaart is genomen, zijn nieuwe service- en onderhoudsvluchten niet langer mogelijk. Het is een kwestie van tijd voordat de resterende drie gyroscopen het begeven, of voordat een ander vitaal onderdeel van de ruimtetelescoop uitvalt. Wiseman: ‘NASA blijft Hubble in elk geval financieel ondersteunen zo lang er nog wetenschappelijke waarnemingen mee verricht kunnen worden.’

Vergulde spiegel

Bij Northrop Grumman in Californië wordt de laatste hand gelegd aan het lanceerklaar maken van Hubbles opvolger, de James Webb Space Telescope (JWST). Die krijgt een veel grotere spiegel, met een middellijn van 6,5 m, opgebouwd uit 18 zeshoekige segmenten van beryllium met een goudcoating. Het spiegeloppervlak van de Webb-telescoop (25 m2) is ongeveer vijf keer zo groot als dat van Hubble. Anders dan Hubble (die ook waarnemingen doet in het ultraviolet) richt Webb zich voornamelijk op het nabij- en ver-infrarood (0,6-28,5 μm). 

Vanwege de gewenste infraroodgevoeligheid moet het hart van de telescoop gekoeld worden tot een temperatuur van minder dan 50 K. Dat gebeurt met een gigantisch vijflaags zonnescherm (21 x 14 m), dat – net als de gesegmenteerde hoofdspiegel – pas na de lancering volledig zal worden uitgevouwd. De Webb-telescoop wordt uitgerust met vier grote wetenschappelijke instrumenten (camera’s en spectrografen), waarvan MIRI (Mid-InfraRed Instrument) ontworpen en gebouwd is door ESA, met een leidende rol voor de Nederlandse Onderzoekschool Voor Astronomie (NOVA).

‘Ook in het JWST-tijdperk heeft de Hubble Space Telescope nog unieke mogelijkheden te bieden’

Een essentieel verschil met Hubble is dat de JWST niet in een baan om de aarde wordt gebracht, maar in een baan rond de zon, op 1,5 miljoen km afstand van de aarde. Gunstig voor de waarnemingen (de nabijheid van de aarde zou de infraroodwaarnemingen verstoren), maar het betekent wel dat er geen onderhoudswerkzaamheden of reparaties uitgevoerd kunnen worden. Alles moet in één keer werken, en eventuele haperingen of storingen kunnen funest zijn. De geplande operationele levensduur van Webb bedraagt dan ook ‘slechts’ vijf jaar.

Net als Hubble wordt het project al vanaf het begin geplaagd door vertragingen en kostenoverschrijdingen. In 1997 stond de lancering nog gepland voor 2007, en had de nieuwe ruimtetelescoop een prijskaartje van $500 miljoen. De kosten zijn inmiddels opgelopen tot maar liefst $10 miljard, en de lancering werd ruim anderhalf jaar geleden uitgesteld tot maart 2021. Ook die datum wordt waarschijnlijk niet gehaald; vanwege de coronacrisis ligt al het werk aan de JWST momenteel stil.

Blik in de toekomst

Wat er ná de James Webb Space Telescope op het programma staat, is momenteel nog niet zeker. Komend jaar zal de Amerikaanse National Academy of Sciences aanbevelingen doen voor een volgend groot ruimteobservatorium, waarvoor vier ambitieuze plannen zijn ingediend. Een daarvan is HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission) – een relatief ‘bescheiden’ instrument met een spiegelmiddellijn van 4 m dat onder andere detailonderzoek moet gaan doen aan bewoonbare planeten bij andere sterren. HabEx werkt in hetzelfde golflengtegebied als Hubble (van ultraviolet tot nabij infrarood) en zal ook veel ander astrofysisch onderzoek doen.

Veel spectaculairder is LUVOIR (Large UntraViolet, Optical and InfraRed Surveyor). Daarvoor liggen twee ontwerpen op tafel, waarvan de grootste een gesegmenteerde spiegel van maar liefst 15 m in diameter krijgt. Vanwege zijn grote golflengtebereik zal LUVOIR – net als Hubble – in vrijwel elk deelgebied van de astronomie voor verrassende resultaten kunnen zorgen. De lancering van LUVOIR is voorzien voor eind jaren dertig. (De andere twee voorgestelde ruimtetelescoopprojecten richten zich op het ver-infrarood en op röntgengolflengten; die kunnen niet echt als ‘opvolgers’ van Hubble beschouwd worden.)

Voor wie het voornamelijk om de spectaculaire beelden van de Hubble-telescoop te doen is, is er al op kortere termijn goed nieuws. In 2022 lanceert ESA de ruimtetelescoop Euclid; enkele jaren later moet de Amerikaanse tegenhanger WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) de ruimte in gaan. Beide ruimtetelescopen worden uitgerust met extreem gevoelige groothoekcamera’s; in de loop van enkele jaren zullen ze minstens 30% van de sterrenhemel in kaart brengen met dezelfde resolutie als Hubble. Ook Euclid en WFIRST moeten het echter zonder kosmische wegenwacht stellen.

Het lijkt zeer onwaarschijnlijk dat de toekomstige ruimtetelescopen net als de jarige Hubble dertig jaar lang vrijwel onafgebroken operationeel zullen zijn. Met hun komst is de rol voor Hubble overigens zeker niet uitgespeeld. ‘Ook in het JWST-tijdperk heeft de Hubble Space Telescope nog unieke mogelijkheden te bieden,’ zegt de Californische astronoom Garth Illingworth, die met Hubble vooral onderzoek doet aan verre sterrenstelsels in het heelal.

Nóg eens dertig jaar zit er niet in voor Hubble. ‘Ooit komt de dag dat we voorgoed afscheid moeten nemen,’ zegt planeetonderzoekster Heidi Hammel. ‘Als de ruimtetelescoop dan de dampkring van de aarde in wordt gestuurd om deels te verbranden en daarna in de Stille Oceaan te plonzen, hoop ik dat we vanaf een cruiseschip met z’n allen getuige kunnen zijn van dat vurige einde. Om vervolgens te toosten op Hubbles successen – en een traan te laten om het verlies van een dierbare vriend.’

 

Hubble viert zijn 30-jarig jubileum met deze prachtige verjaardagsfoto. Het toont de gigantische nevel NGC 2014 op circa 160.000 lichtjaar afstand van de aarde, waarin nieuwe sterren worden geboren. Meer informatie en hoge resolutie afbeelden (bijvoorbeeld om in te stellen als bureaubladachtergrond) vind je hier: https://www.spacetelescope.org/news/heic2007/ 

Bron: NASA, ESA, en STScI

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW