Hoe ruimtetelescopen werken: spiegels, golflengten en het zien van de kosmische geschiedenis

Elke ruimtetelescoop voert dezelfde basistaken uit: zoveel mogelijk licht van een zwakke, verre bron verzamelen en het op een detector richten. Hoe dat licht wordt verzameld en welke golflengten kunnen worden vastgelegd, hangt af van het ontwerp van de spiegels en waar de telescoop in de ruimte staat, volgens NASAs overzicht van telescoopwetenschap.

Waarom een telescoop überhaupt in de ruimte plaatsen?

Aardgebonden telescopen kijken door de aardse atmosfeer, waar verschuivende luchtpaketten inkomend licht vervormen — hetzelfde effect dat sterren doen twinkelen. NASAs Hubble-programapagina legt uit dat deze beweging beelden van de grond vervaagt en dat de atmosfeer ook het meeste ultraviolette en infraroodstraling absorbeert voordat het het oppervlak bereikt.

Door ongeveer 480 kilometer boven de aarde te banen, vermijdt Hubble deze atmosferische vervaging en kan het objecten ongeveer tien keer zwakker detecteren dan gelijkwaardige aardgebonden telescopen kunnen, volgens NASA. Ruimtetelescopen kunnen ook continu observeren, zonder dat weer, daglicht of lichtvervuiling door steden hinderlijk is.

Spiegels, niet alleen lenzen

Vroege telescopen gebruikten glazen lenzen om licht af te buigen, een ontwerp dat breking wordt genoemd. NASAs Telescopen 101-uitlegger merkt op dat grote lenzen zwaar worden en moeilijk te lanceren zijn, dus de meeste moderne telescopen zijn reflectieve telescopen die in plaats daarvan gekromde spiegels gebruiken, omdat spiegels dunner en lichter kunnen worden gemaakt voor dezelfde grootte.

Bij een typisch reflectief ontwerp raakt licht een grote primaire spiegel met een paraboloïde vorm en kaatst naar een kleinere secundaire spiegel. Specifiek voor de James Webb Space Telescope voegt NASAs beschrijving van Webbs spiegels twee stappen toe: licht van de secundaire spiegel reflecteert naar een concave tertiaire spiegel en vervolgens naar een vlakke fijnregelspiegel voordat het uiteindelijk de wetenschappelijke instrumenten bereikt.

Verschillende telescopen, ander licht

Zichtbaar, ultraviolet en infrarood licht kunnen allemaal met vergelijkbare spiegelvormen maar verschillende coatings worden gefocust. Webbs 18 zeshoekige primaire spiegelsegmenten, gemaakt van berylliummetaal en met een laag van 100 nanometer goud gecoat, zijn specifiek afgestemd om infrarood licht efficiënt te reflecteren, volgens NASAs beschrijving van Webbs spiegels. Hubble daarentegen is gebouwd om ultraviolet, zichtbaar en dicht-infrarood licht te verzamelen, zegt NASA.

Röntgenstralen gedragen zich anders: ze zouden gewoon doordringen of door een gewone spiegel worden geabsorbeerd, net als kogels tegen een muur slaan, legt het Chandra X-ray Center in Harvard uit. Chandras spiegels zijn in plaats daarvan gevormd als geneste cilindrische vaten die met iridium zijn gecoat, waarbij röntgenstralen alleen onder een ondiepe 'grazingshoek' worden gereflecteerd in plaats van frontaal, zegt het center. Chandra gebruikt vier geneste spiegelparen, acht spiegels in totaal, gepolijst en afgestemd tot binnen 1,3 micrometer.

Gammastralen zijn nog energieker en gaan helemaal rechtstreeks door conventische optica. NASA stelt vast dat gammastraaltelescopen zoals Fermi in plaats daarvan detectoren gebruiken die deeltjes volgen die worden geproduceerd wanneer gammastralen dicht materiaal zoals wolfraam treffen, en ze reconstrueren de oorsprong van de straal uit die deeltjessporen in plaats van de stralen met een spiegel te focussen.

Waarom de locatie ertoe doet: Webbs verre baan

Webb cirkelt niet dicht langs de aarde zoals Hubble doet. NASAs missieblad zegt dat Webb rond het tweede Zon-Aarde Lagrange-punt, L2, draait, ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde, en ongeveer elke zes maanden één circuit voltooit. Op die locatie blijven de zon, aarde en maan aan één zijde van het ruimtevaartuig, waardoor Webbs zonneschilderij ter grootte van een tennisbaan hun warmte en licht continu kan blokkeren.

Deze bescherming is essentieel omdat Webb infraroodlicht waarneemt, wat in wezen warmte is. NASA stelt dat de telescoop op extreem koude temperaturen werkt — ongeveer min 223 graden Celsius, volgens Webbs orbitpagina — zodat enige resterende warmte van de zon of aarde de detectoren niet met infraroodruis overspoelt en de zwakke signalen van verre sterrenstelsels niet overweldigt.

Het verleden zien, niet alleen het verre

Omdat licht met constante, eindige snelheid reist, betekent verder in de ruimte kijken verder terug in de tijd kijken. NASAs wetenschapsoverzicht van Webb merkt op dat de telescoop infraroodlicht van sterrenstelsels meer dan 13,5 miljard lichtjaar weg kan detecteren — wat betekent dat het vandaag vastgelegde licht die sterrenstelsels meer dan 13,5 miljard jaar geleden verliet, toen het universum jong was. Waarneming van het licht toont in feite het object zoals het bestond op het moment dat het licht vertrok, niet zoals het er nu uitziet.

Webb draagt vier wetenschappelijke instrumenten om dat oude licht te analyseren: NIRCam en NIRSpec voor nabij-infrarood beeldvorming en spectroscopie, MIRI voor mid-infraroodwaarnemingen en een Fine Guidance Sensor gekoppeld aan het NIRISS-instrument, volgens NASAs telescoopoverzicht.

Van spiegel naar afbeelding op aarde

Moderne ruimtetelescopen gebruiken geen fotografische film. NASAs uitleg over hoe telescopen werken stelt dat licht dat door spiegels wordt gefocust op elektronische detectoren valt, die het in digitale signalen omzetten. Die signalen worden opgeslagen door computers aan boord en verzonden naar grondstations op aarde, waar wetenschappers de gegevens reconstrueren in de afbeeldingen die openbaar worden vrijgegeven.