James Webb Uzay Teleskobu

Bulutsuz gecelerde uzay, Allah’ın sanatından yansıyan manzaraları bizlere gösterir. Aslında bu parıl parıl gökyüzünde çıplak gözle gördüğümüz sadece Samanyolu galaksimizdir. Dünya’ya yakın beş gezegen (Merkür, Venüs, Mars, Jüpiter ve Satürn) teleskopsuz görülebilir. Bir derin uzay teleskobuyla alınan görüntüde, karanlık fon üstündeki parlak bir nokta ise, çok uzaklardaki tek bir galaksiye (yüz milyarlarca yıldız barındıran bir gök adasına) karşılık gelir. Spiral, eliptik veya düzensiz şekilli olabilen bir galaksinin gözümüze küçük spiral bir nohut veya mercimek tanesi gibi gözükmesi için aradaki mesafenin akıl almayacak kadar büyük olması gerekir.

Dünya, Güneş’in etrafında saniyede 30 km; Güneş Sistemi, Samanyolu Galaksi merkezindeki süper ağır ve yoğun (dört milyon Güneş kütlesindeki) kara delik etrafında saniyede 200 km; Samanyolu Galaksisi de içinde bulunduğu galaksi kümesi (Lokal Grup) merkezinin etrafında saniyede 583 km hızla hareket etmektedir. Lokal Grup ise, Virgo Kümesi içindeki yörüngesinde daha yüksek bir hızla döner. Mesafeler çok uzun, kütleler çok büyük, hızlar çok yüksek… Sürekli genişleyen kâinatın ne kadar büyük olduğu, tahmin edilenden daha fazla galaksi kümesi barındırdığı ancak derin uzay teleskoplarıyla anlaşılabilmektedir.

Yakın geçmişte Hubble Uzay Teleskobu kendinden çok söz ettirdi. Alçak Dünya yörüngesine 1990’da fırlatılan, tamirat, sistem değiştirme ve kapasite artırmaya yönelik uzay mekiği işlemleriyle beş defa müdahale edilen ABD projesi Hubble’ın 2040’a kadar hizmet vermesi planlanıyor.

Aralık 2021’de gönderilen ve hâlen uzaydaki en büyük optik teleskop olan James Webb Uzay Teleskobu (JWST) ise, Hubble’dan daha büyük, daha masraflı bir proje olarak bütün dünyanın gündemine girmiştir. Hubble görünür ve morötesi ışık bandında ölçüm yaparken bu yeni James Webb teleskobunun hedefi, gök cisimlerini yaydıkları kızılötesi (infared) ışınlarla belirlemek ve tanımaktır. Atmosferdeki su buharı, kızılötesi ışınların büyük kısmını soğurması sebebiyle, yeryüzündeki kızılötesi teleskoplar sağlıklı bilgi sağlayamadığı için, bu tip teleskopların Dünya atmosferi dışında çalışması gerekmektedir.

Uzay Teleskopları

İlk uzay teleskobu 1983’de gönderilen ve 10 ay çalışan Kızılötesi Astronomik Uydu Teleskobu’ydu (IRAS, Infrared Astronomical Satellite). ABD, Hollanda ve Birleşik Krallık ortak projesi olan bu teleskop 12, 25, 60 ve 100 mikron[1]dalga boylu kızılötesi ışın yayan 250 binden fazla gök cismi gözlemledi.

İkincisi, Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından tasarlanan, Japonya–ABD ortaklı Kızılötesi Uzay Gözlemevi’ydi (ISO, Infrared Space Observatory). 1995–1998 arasında hizmet veren bu teleskop, 2,5–240 mikron dalga boylu kızılötesinde, uzak gezegenleri gözlemledi.

“Uzay teleskobu” kavramını 1940’larda ortaya atan Lyman Spitzer onuruna isimlendirilen ve 2003–2020 arası faaliyet gösteren Spitzer Uzay Teleskobu üçüncü önemli projeydi. Bu teleskobun görev süresi iki buçuk yıl olarak planlanmıştı. Bütün cihazlarının mutlak sıfıra (0 Kelvin = –273,15°C) yakın derecelerde tutulması için kullanılan sıvı helyum[2]2009’da tükense de teleskop çok kısa dalga boylu kızılötesi kamerasının çalışmaya devam etmesiyle 2020’ye kadar faaliyette kaldı.

Dördüncü önemli proje 2009’da gönderilen ve 2018’de emekliye ayrılan Kepler Uzay Teleskobu’ydu. Hedefi Samanyolu’ndaki yaklaşık 100 milyar yıldızdan kaçının etrafında Dünya gibi yaşanabilir gezegenlerin olabileceğini tespit etmekti. Alman astronom, matematikçi ve müzik yazarı Johannes Kepler (1571–1630) dört asır önce keşfettiği üç evrensel kanunla hatırlanır. Allah inancından taviz vermeden yaşamış, mahrumiyetleri göze almış, hayatı sürgün ve hastalıklarla geçmiş Kepler’in ismiyle anılan teleskop, 530 binden fazla yıldız gözlemledi ve 2600’den fazla gezegen tespit etti.

2009 yılına kadar uzaya gönderilmiş olan teleskopların en büyüğü olarak yörüngeye yerleştirilen Herschel Uzay Teleskobu ise üç buçuk metre çapında aynasıyla, uzak kızılötesi ve milimetre altı dalga bandında (55–672 mikron) gözlem yapıyordu. Teleskoba, kızılötesi spektrumun ve Uranüs gezegeninin kâşifi İngiliz astronom ve besteci Frederick William Herschel (1738–1822) ile astronom kızkardeşi Caroline Herschel’in (1750–1848) ismi verilmişti. Soğutucu malzemenin tükenmesi sebebiyle 2013’te faaliyeti sona eren Herschel, uzaydaki en soğuk ve tozumsu cisimleri, yıldızların yaratıldığı soğuk kozaları ve yeni yıldızlarla şekillenen galaksileri görebiliyor, su moleküllerinin yaratılma sürecini araştırıyordu.

James Webb Uzay Teleskobu

Yapımı 2016’da tamamlanan ve 10 milyar dolara mal olan James Webb Teleskobu’nun ağırlığı 6,200 kg, teleskobu taşıyan uzay aracı ise 350 kg’dır. Grafit kompozitten yapılı taşıyıcı sayesinde, teleskop hassas dokunmalarla yönlendirilmekte ve en küçük titreşimler bile sıfırlanabilmektedir. Araç, kendisini uzaya taşıyan Ariane 5 roketinden ayrılıp yörüngeye oturduktan sonra vazife sırasında kullanmak üzere, sahip olduğu bir çifti yedek olmak üzere iki çift roket motoruyla yol alıp konumunu koruyabilmektedir. Ayrıca gerektiğinde konumunu kontrol ve düzeltme için sekiz küçük itici motor eklenmiş olup bunlar da yakıt olarak inorganik bileşik olan hidrazin (N₂H₄, 159 litre), oksijen kaynağı olarak dinitrojen tetroksit kullanmaktadır (79,5 litre).

Teleskobun altına monte edilen Entegre Bilim Cihazları Modülü’nde, teleskobun elektriğini, bilgisayar işletimini, soğutmayı ve ana yapının gücünü sağlayan dört cihaz ve kamera bulundurmasının yanında, aynaları ayarlama ve 10 nanometre hassasiyetle düzeltmek için 132 küçük motor da eklenmiştir. Güneş’ten doğrudan, Dünya ve Ay’dan yansıyarak gelen ışıkla teleskobun ısınmaması için, her biri insan saçı kalınlığında beş tabakadan yapılmış bir ısı kalkanı vardır ve –269°C’den + 400°C sıcaklığa kadar dayanıklıdır.

Dünya’dan 1,5 milyon kilometre uzaklıkta Güneş etrafındaki bir yörüngede Güneş–Dünya L2 Lagrange noktası^[3]yakınına yerleştirilen araç, bu nokta etrafında periyodik olarak dönmektedir. L2 Güneş ve Dünya’nın çekimlerinin birbirini dengelediği, ikisinin arasındaki bir sıfır çekim noktası olduğundan, uzay aracı aslında Güneş etrafında Dünya ile aynı sürede dönmekte ve böylece Dünya’ya yakın kalarak hızlı bir veri alışverişi sağlanmaktadır.^[4]

Bu yeni teleskop çok yüksek hassasiyet ve çözünürlüğüyle, Hubble için çok uzak, dolayısıyla çok yaşlı, ışığı 100 kat zayıf ve sönük kalan galaksileri bile net görebilmektedir. James Webb Teleskobu’nun altı buçuk metre çapındaki ana aynası (Hubble’ınki 2,4 metre), altın kaplı berilyumdan yapılı 18 altıgen aynadan teşkil edilmiştir. Bu şekilde teleskobun ışık toplayıcı alan kapasitesi, Hubble’ın altı katı olarak 25 m²’yi bulmaktadır. Hubble Teleskobu yakın morötesi, görünür ve yakın kızılötesi spektrumda gözlem yaparken, James Webb Teleskobu görünür ışığın kırmızı bandında ve orta kızılötesinde (0,6–28,3 mikron) çalışmakta, aşırı soğuk şartlarda (–223°C) tutularak, kendisinden kızılötesi ışık yayılması ve bunun uzaydan gelen kızılötesi ışıkla karışıp parazit yapması önlenmiş olmaktadır.

En az 10 yıl çalışması planlanan, 20 yıla kadar faaliyet göstermesi beklenen JWST’nin ana hedefleri şunlardır:

1. Büyük Patlama sonrasında yaratılan ilk yıldızları ve galaksileri araştırmak.
2. Galaksilerin nasıl değiştiğini belirlemek.
3. Yıldız sistemlerini, merkezde yıldızın oluşumundan, etrafında gezegenlerin şekillenme safhasına kadar gözlemlemek.
4. Güneş Sistemi dâhil, yıldız sistemlerinin fizikokimyasını, Güneş Sistemi’nin dışındaki gezegenlerin atmosferlerinde hayat için gerekli kimyayı araştırmak.

Bu hedeflere ancak kızılötesi ölçümlerle ulaşılabilmektedir. Teleskobun yakın ve orta kızılötesi gözlem için tasarlanması şu sebeplerden dolayı önemlidir:

– Kâinatın tahmini yaratılış dönemlerine ait bilgiler gönderen çok uzak ve yaşlı gök cisimleri, aslında görünür ışık da yayar, fakat bu ışık kırmızıya kaydığı[5] için ancak kızılötesi astronomiyle gözlemlenebilir.

– Kızılötesi ışık, nebulalardan görünür ışığa göre daha kolay geçer.

– Bazı yıldızların etrafında dolanan toz kırıntı halkaları[6] ile gezegenler kızılötesi ışık yayar.

– Kızılötesi ışığın yeryüzünden incelenmesi zordur. Çünkü atmosferdeki su buharı, karbondioksit ve metan, bunu engeller. Aynası ancak 15°C’de tutulabilen ve James Webb Teleskobu gibi yeterince soğutulamayan Hubble gibi bir uzay teleskobu ise, bizzat kendisi radyasyon yaydığı için bu kızılötesi bantları incelemekte yetersizdir.

Kâinatta en uzak yerleri, Güneş Sistemi’ndeki gezegenleri, uyduları, kuyruklu yıldızları, asteroidleri, Kuiper kuşağındaki cisimleri gözlemleyen bu yeni teleskop, süpernova ve gama ışını patlaması gibi planlanmamış, ani gelişen hedefleri de verilecek bir kararla 48 saat içinde inceleyebilecektir.

Teleskobun C3 ayna bölümüne mayıs sonunda büyükçe bir toz zerresi olan bir mikro meteorit çarptı. Fırlatıldıktan sonra beşinci ve en büyük olan bu çarpmanın verdiği hasar, 10 Temmuz’da tamir edilerek çalışmalara hazır hâle getirildi.

Hubble’dan farklı olarak, gerektiğinde uzay aracı ve astronot gönderip müdahale etmek mümkün olmayan James Webb Teleskobu için NASA sadece uzaktan kumanda ile yakıt depolarına, çıkarılabilir ısı koruyucularına ve kenetlenme noktalarına müdahale edebilmektedir.

İlk Görüntüler

NASA, teleskobun tespit ettiği ilk kızılötesi görüntüleri 12 Temmuz 2022’de kamuoyuna açtı. Bir gün önce Başkan Joe Biden en heyecan verici kızılötesi görüntüyü yayımladı. Webb’in bu ilk derin alan görüntüsünde, Dünya’nın Güney Yarımküresi’nden görülebilen 4,6 milyar ışık yılı uzaklıkta binlerce galaksinin oluşturduğu bir galaksi kümesi ile bu kümenin çekim kuvvetinin etkisiyle yol açtığı mercekleme (büyütme) sonucunda arka fonda 13,1 milyar ışık yılı uzaklıkta kırmızıya kayan dalga boylu ışık yayan galaksiler görülmektedir. 12 Temmuz’da yayımlanan bazı görüntüler şunlardır:

• Karina Bulutsusu’nda yıldızların doğduğu NGC 3324 bölgesinde, Dünya’dan 8500 ışık yılı uzakta, parıldayan yıldızlar, “kozmik uçurumlar”, “dağ” ve “vadi” benzeri yapılarla dolu renkli bir manzara.
• Dünya’dan 1120 ışık yılı uzaktaki bir yıldızın etrafında dönen dev bir gaz gezegenin su ihtiva eden atmosferinin analizi (WASP-96b).
• Dünya’dan 2500 ışık yılı uzaklıkta ölen bir yıldızın dışarı attığı gaz ve toz bulutları (Güney Halka Bulutsusu).
• Dünya’dan 290 milyon ışık yılı uzaklıkta, gaz ve toz bulutlarının çarpışmasıyla yeni yıldızların yaratıldığı beş galaksinin fotoğrafı (Stephan Beşlisi).

NASA 14 Temmuz’da, yüksek çözünürlük ve hızda alınmış yeni görüntüler yayımladı. Bunlar arasında Güneş Sistemi’nin içindeki ve dışındaki bazı gezegenler ve diğer gök cisimleri de bulunmaktadır. Ayrıca galaksi merkezi yönünde kara delik çekim tesiri sebebiyle, kütlece daha yoğun bir alanda yüzlerce yıldızın spektrumu eş zamanlı olarak elde edildi. Bu konuda çalışan bilim insanlarının kaleme aldığı, teleskobun performansının beklenenden daha iyi olduğunu anlatan bir makalede, ulaşılan diğer hedefler şöyle sıralanmaktadır:

• Arka arkaya çok kısa süreli poz alarak gök cisimlerinin hareketini dondurmaya dayanan tekniğin uzayda ilk defa uygulanmasıyla net görüntülenen çok küçük kütleli AB Doradus C yıldızı.
• Jüpiter ve uyduları Europa, Thebe ve Metis ile isim verilen sekiz asteroid.
• Jüpiter büyüklüğünde bir gezegen: HAT-P-14b.
• Parlak bir M-cüce yıldız etrafında dönen, Dünya’dan büyük, çok sıcak bir dev gezegen (L168-9b).

Webb teleskobunun ilk görüntülerini takip eden iki hafta içinde, birçok taslak makalede, Büyük Patlama’dan 235–280 milyon yıl sonra yaratıldığı düşünülen ilk galaksiler tanımlanmıştır.

Bitirirken

Belli sıcaklıkta her cisim bir ısı enerjisine (atom hareketi) sahiptir. Dolayısıyla kızılötesi ışık yayar. Bu, o cismin âdeta parmak izidir. Böylece ilk yaratılış sonrasında uzayın genişlemesine ve sıcaklığın düşmesine bağlı ilk cisimler (ki bunlar en yaşlı, en uzak olanlardır), ayrıca yeni yıldız ve gezegenlerin yaratılma safhaları veya yaşlı yıldızların ölümü takip edilebilir.

Bugün astrofiziğin vardığı sonuç şudur: Uzayda ne kadar uzağa gidersek gidelim, her nokta merkez gibi davranmakta olduğundan, kâinata sınır biçmek bugün için imkânsız görünmektedir. Gelecekte daha gelişmiş bir teleskop belki 20 milyar ışık yılı uzaktan kızılötesi ışık alabilirse, kâinatın yaşı daha geriye çekilebilir ve büyüklüğünün ölçülemeyeceği bir kere daha gösterilebilir. Ancak uzay ne kadar derin gözlemlere konu olsa da değişmeyen tek kanun “yıldız ve galaksi sistemlerinin iç içe dairelerden yapılı ve parçaları birbirine bağlı tek bir sistem olduğudur.”

Kızılötesi Astronomi

İngiliz astronom Frederick William Herschel 1800 yılında yıldız ışıklarının dalga boyu dağılımlarını ölçmek için geliştirdiği uzay spektrofotometri metoduyla yaptığı deneyde, Güneş ışığını optik prizmadan geçirip farklı renklerine ayırdı ve bunların altına termometre koydu. Termometrede en yüksek sıcaklık artışı, görünür ışığın dışında, kırmızı rengin hemen ötesindeydi. Herschel, Güneş’ten görünür ışığın yanı sıra, gözle görülemeyen bir ışığın daha geldiği sonucunu çıkardı. Bu, 0,7–1 milimetre dalga boylu kızılötesi radyasyonu “ısıl ışımalar” olarak adlandırdı (gece görüş veya termal kamera sistemi). Herschel ayrıca, Mars’ın kendi ekseni etrafındaki dönme süresini daha yüksek hassasiyetle ölçtü ve kutup bölgelerindeki buzul örtülerinin mevsimlere bağlı olarak değiştiğini belirledi (Mars’ın kuzey ve güney kutuplarında kışın buzul hâlde %70 oranında su ve %25–30 oranında CO₂ bulunduğu ve bu oranların yazın azaldığı bugün biliniyor ve takip ediliyor). Uranüs’ün bugün bilinen 27 uydusundan en büyük olan Titan ve Oberon’u, Satürn’ün Enceladus ve Mimas uydularını keşfetti.

James Webb

2002 yılında NASA, Hubble’dan sonra gönderilecek uzay teleskobuna, Apollo programındaki başarılarından dolayı James Webb adını verdiğini açıkladı. James Edwin Webb (1906–1992) NASA’nın 1961–1968 arasındaki ikinci başkanı olarak kritik bir rol almıştı. Webb, Başkan Truman hükümetinde 1949–1953 yılları arasında müsteşarlık görevinde bulunmuştu. Bürokrasiyi iyi biliyordu, Washington’da çarkların nasıl döndüğünü bizzat tecrübe etmişti ve organizasyon konusunda kabiliyetliydi. Bundan dolayı, Başkan John F. Kennedy’nin yardımcısı (ve daha sonra ABD Başkanı olacak olan) Lyndon B. Johnson, 1961’de Webb’i NASA’ya Başkan Yardımcısı olarak atadı. Ruslar’ın 1957’de uzay çağının başlangıcını simgeleyen ilk uyduyu (Sputnik) göndermesi üzerine ABD 1958’de NASA’yı kurdu. Nisan 1961’de Rus kozmonot Yuri Gagarin uzaya çıkan ilk insan oldu. Bunun üzerine Mayıs 1961’de bizzat Başkan Kennedy ABD’nin uzay hedefini açıkladı: 10 yıl içinde Ay’a insan indirmek. NASA’nın Apollo programının (1961–1972) başarısında Webb’in büyük rolü oldu. Ocak 1967’de ilk insanlı uzay uçuşunu gerçekleştirmesi planlanan, fakat üç astronotun yanarak can verdiği Apollo 1 faciasına rağmen Webb kurum içinden ve Amerikan yönetiminden gelen tepkileri yumuşatmayı becerdi. Fakat 1968’de, insanlı ilk Apollo uçuş misyonu (Apollo 7) öncesinde, Başkan Johnson’ın seçimlerde tekrar aday olmayacağını açıklaması üzerine emekliye ayrıldı.

Dipnotlar

[1] Mikron, metrenin milyonda biridir.

[2] Süperakışkan helyum, sıfır viskoziteye sahiptir, bu yüzden herhangi bir kinetik enerji kaybı olmaksızın akış göstermesi için soğutularak sıvılaştırılır ve sistemin soğutulmasında kullanılır.

[3] Gök mekaniğinde Lagrange noktaları, iki büyük gök cisminin (Güneş ve Dünya) çekim kuvveti altındaki küçük nesneler (teleskop) için denge noktalarıdır. Normalde bu iki kütle, belli bir noktaya eşit olmayan kütle çekim kuvveti uygular. Bu durum, o noktada eğer bir cisim varsa onu yörüngesinden saptırır. Beş Lagrange noktasında ise iki büyük kütlenin kütle çekim kuvvetleriyle o noktalardaki cisimlerin yörünge merkezkaç kuvvetleri birbirini dengeler. Bu yüzden uzay araçlarının ideal lokasyonlar olan Lagrange noktalarından birine yerleştirilip yörüngesinde sapma yapmadan veya sapsa da küçük düzeltmelerle dönmesi sağlanır. Bu noktalarda yörüngeye yerleştirilen JWST gibi küçük kütleli bir cisim, büyük kütlelerin kütle merkeziyle en az iki yönde dengelenir.

[4] L₂ etrafındaki yörüngede aracın konumunu korumak için itici sistemle yılda 2,5 m/s gibi bir düzeltme gerekir ki bu, kontrollü bir sürüklenmedir. İticiler aracın Güneş’e bakan tarafında bulunduğundan, konum koruma operasyonları, JWST’yi aşırı değil, gerekli itme kuvvetinin biraz altında itecek şekilde tasarlanmıştır (aksi takdirde teleskop L₂ noktasının ötesine, Güneş Sistemi dışına doğru itilmiş olur).

[5] Kırmızıya kayma, gözlemciye göre çok uzakta olan ve giderek uzaklaşan bir gök cisminin yaydığı ışığın foton enerjisi ve frekansındaki azalmaya bağlı olarak dalga boyundaki artışı ifade eder.

[6] Bu halkalar asteroid ve kuyruklu yıldızların çarpışma kalıntılarıdır; Güneş Sistemi’nde Neptün’ün etrafındaki Kuiper Kuşağı gibi… 2001 itibariyle, 900’den fazla yıldızın enkaz halkası olduğu biliniyordu. Yıldız sistemi kızılötesi ışıkta incelenir ve yıldızın yaydığı radyasyonun ötesinde bir radyasyon fazlası aranır. Bu fazlalık, halkadaki toz tarafından emilen ve ardından kızılötesi enerji olarak yeniden yayılan yıldız radyasyonudur.