James Webb Space Telescope (JWST) är det efterlängtade, efterlängtade "nästa generations" teleskopet. Planerad för lansering i 2013 Oktober 2018 har JWST utropats som efterträdaren till Hubble Space Telescope. Med det hoppas astronomer att titta tillbaka i tiden till när universumet var bara 200 miljoner år gammalt och se de första stjärnorna och galaxerna. Den ledande forskaren som leder detta projekt är Dr. John Mather, medmottagare av Nobelpriset i fysik 2006 för sitt arbete med Cosmic Background Explorer (COBE), som mätte den svarta kroppsformen och anisotropin av den kosmiska mikrovågsbakgrunden.
Vi fick förståeligt heder när Dr. Mather kontaktade Space Magazine och sa att han vill prata med oss om JWST: s status. "Jag tänkte att det kan vara dags att prata om vad vi gör," sade han, "eftersom spännande saker börjar hända."
Space Magazine: Dr. Mather, i över ett decennium har vi hört talas om Next Generation Space Telescope, som senare officiellt kallades James Webb Space Telescope. Kan du berätta hur konceptet för detta teleskop började?
John Mather: 1989, redan innan Hubble lanserades, hölls en konferens om vad nästa rymdteleskop skulle vara. De diskuterade framtidens stora teleskoper och publicerade en bok från förfarandena. Men de ansåg verkligen inte att infraröd var framtidens stora våg. Sedan 1993 fanns det en kommitté som heter HST and Beyond. De publicerade en härlig liten rapport 1996 som sa att det fanns två viktiga saker att göra. Den ena var att bygga ett infrarött teleskop, till skillnad från vad den tidigare boken hade sagt, och den andra var att bygga ett teleskop för att söka efter jordliknande planeter. Vid den tidpunkten erkände astronomer att sökning efter extrasolära planeter var möjlig. Så i oktober 1995 ringde NASA: s huvudkontor upp mig, gav mig en lista med forskare och ingenjörer att kontakta och sa att jag började planera. Så gjorde vi, och vi kom omedelbart till en anmärkningsvärd konvergens av tankar och åsikter. Vi kom snabbt överens om ett koncept som uppfyllde önskemålen från det vetenskapliga samhället och som kom inom NASA: s ambitioner. Du kommer att upptäcka att teleskopet vi ville flyga tillbaka då är mycket som det vi ska flyga 2013.
UT: Kan du ge oss en uppdatering om statusen för JWST just nu?
Mather: Flyginstrumentets hårdvara kommer in från hela världen sommaren 2010. Den fina vägledningssensorn kommer från Kanada, ett och ett halvt instrumentpaket kommer från Europa och resten kommer från USA. Så inom 18 månader börjar instrumentpaketet gå tillsammans och sedan möts det med teleskopet ett år senare. De fyra vetenskapliga instrumenten är en nära-infraröd kamera, en nära-infraröd spektrograf med flera objekt, ett mitt-infrarött instrument och en inställbar filterbild.
Vi har bara gått igenom kritisk designgranskning för instrumentmodulen. Förra veckan hade vi hundratals människor kommit för att titta på allt och berätta för oss om vi gör det rätt. Jag tror att vi har gått, även om jag inte har sett det officiella papperet ännu. Men även jag blev imponerad.
UT: Frågan som många ställer mig är, eftersom Hubble har varit så framgångsrik, varför kommer inte JWST att bli ett optiskt teleskop?
Mather: Varför ändrade kommittén från optisk till infraröd? Det var tvåfaldigt. Den ena var att Hubble blev så bra att de kunde se att det skulle vara svårt att slå det, oavsett hur stort du byggde ett teleskop. En annan sak som händer var att folk såg att du kunde bygga stora optiska teleskoper på marken. Keck-teleskopet fungerade riktigt bra, och folk började prata om adaptiv optik, vilket innebar att ännu större teleskoper på marken var värda. Så dessa två saker pekade oss mot ett infrarött teleskop. Även alla forskare från JWST sa att vi behövde infraröd. Från den lilla förmågan vi hade på den tiden var infraröd fascinerande, och fann att det mest avlägsna universum är spännande och rödförskjuts från det synliga. Det börjar i ultraviolett och blir till infrarött på grund av de stora avstånden mellan dessa föremål och det enorma röda skiftet de har. Så om du vill göra ultraviolett astronomi i universums nästan kant behöver du ett infrarött teleskop.
UT: Nu när det infraröda Spitzer-rymdteleskopet är igång och fungerar så bra, har det förändrat någons sinne, eller gör det att forskare vill gå till nästa nivå med infraröd?
Mather: Ja, Spitzer har bevisat att detta faktiskt är ett fascinerande territorium. Spitzer är faktiskt ett litet kyckligt teleskop enligt moderna standarder; den är bara 3 fot bred, 85 cm. Men det har skapat några häpnadsväckande överraskningar. De kan se saker till mycket, mycket höga röda skift, och ingen av dessa saker förväntades. Så det berättar för oss att infraröd plats är där de underbara upptäckterna kommer att vara. Vi vet nu att vi kan göra tekniken, så låt oss få ett bättre teleskop. Vetenskapen är väldigt, väldigt spännande, och det finns så mycket där ute som väntar på att bli upptäckta.
UT: Vad anser du att JWST skiljer sig från tidigare rymdteleskop?
Mather: Varje teleskop säger: "Jag är bättre än det före mig", och vi säger samma sak. Naturligtvis kommer detta teleskop att se längre tillbaka i tiden med sin infraröda kapacitet och dess enorma öppning; det kommer att se genom dammmoln för att se var stjärnor föds; det kommer att se saker som är rumstemperatur, som du och jag, planeter eller unga stjärnor som föds. Alla dessa saker kan ses direkt med den infraröda förmågan vi har i det här nya teleskopet. Det mesta av arbetet kommer att utföras i infraröd, med viss kapacitet i det synliga området.
Men vi har byggt ett allmänt teleskop. Efter lanseringen kan forskare skriva förslag som de gör för Hubble, för vad de vill observera, så att de kan observera vad det heta ämnet är vid den tiden.
UT: Med din erfarenhet av COBE och efterföljande utmärkelser som du fick, hur har du ansökt om detta till JWST?
Mather: Det var inte så mycket utmärkelser som påverkade mitt liv, det var faktum att jag hade varit igång processen från början till slutet för ett mycket radikalt designat observatorium, vilket COBE var, som gav mig nerven att tänka stort saker. Så när NASA: s högkvarter sa att de ville ha en efterträdare till Hubble, tänkte jag att det skulle vara intressant, och jag hade tillräckligt med nerv att säga ja, jag skulle vilja prova det. COBE var väldigt ambitiös för tiden, men tillräckligt liten för att jag kände ingenjörerna personligen och jag kunde prata med dem varje dag om vad som helst. Så jag trodde att jag kunde gå till ett större projekt.
UT: Och nu arbetar du med människor från hela världen?
Mather: Ja, det här är en enorm sak. Vårt vetenskapsteam är cirka 19 personer från Europa, USA och Kanada. Ingenjörsteamet är över 2 000 personer som är spridda över hela världen. Jag känner helt klart inte alla av dem. Jag arbetar närmare med forskarna och pratar med dem om vad vi vill åstadkomma och ser till att vi åstadkommer det. Så jag har en annan roll nu. Jag har inget ansvar för hårdvara, men jag arbetar med de människor som gör det. Vi har tillgång till några av de bästa människorna i världen i alla ämnen.
UT: Kan du prata om de problem som teleskopet har tvingats lösa, kostnadsöverskridanden och de förseningar det har haft?
Mather: Nummer ett, kostnadsöverskridandet är inte lika stort som visas av vissa människor som vill ha pengar för sina egna projektidéer. Ursprungligen var Dan Goldin chef för NASA när vi började, och han sa: "Vi vill att du ska tänka på ett sätt att göra detta observatorium för en halv miljard dollar i 1996 dollar." Vi sa att vi skulle försöka. Men vi insåg snabbt att bygga detta skulle bli svårt. När vi gjorde oss redo att presentera den för decadalundersökningen 2000 var kostnaden mer som en miljard dollar. Sedan, för tre år sedan, såg vi att jobbet blev svårare och vi var tvungna att planera om och rebudget. Nu, om du räknar hela NASA-kostnaden från början 1995 till slutet, någonstans efter 2019 med inflation och tjänstemän (som vi inte räknade förut) är det nu ungefär 4,5 miljarder dollar i faktiska reala dollar, inte 1996 dollar. Så det finns kostnadstillväxt, men vi har haft utmärkt framgång och vi är på väg att lansera denna underbara maskin, som kommer att användas av tusentals astronomer. Och vi behövde inte ändra vår plan eller vår totala budget på tre år, tack vare ett stabilt ledarskap från NASA HQ och lysande tekniskt arbete från lagen.
UT: Det är bra att veta. Jag tror att folk har ett allmänt begrepp att JWST har haft en enorm kostnadskostnad.
Mather: Det är inte något litet, och vi önskar att vi kunde ha gjort bättre på det. Men det handlar om en faktor av två tillväxt, och inte den faktor fem som har annonserats av vissa människor som borde veta bättre. Detta teleskop kommer att fungera under lång tid. Kravet är fem år, men vi hoppas kunna driva det i tio. Så vårt projekt sträcker sig från 1995 till kanske 2024 när verksamheten skulle upphöra.
Låt mig ge dig en uppfattning om vad vi behövde göra för att bli redo och vad vi har gjort upp hela denna tid. Vi utvecklade en lista med tio stora tekniker som vi behövde. Det svåraste var att utveckla speglarna. Det krävde tolv olika kontrakt bara för att utveckla konkurrenterna till deras design var tillräckligt bra, så det tog ganska många år. Detektorerna måste tydligt förbättras jämfört med vad vi har på Spitzer- och Hubble-teleskopet. Så nu har vi större och bättre detektorer, och de är fantastiska. En mått astronomer har är hur många ströselektroner du får från detektorerna. Om du stänger av allt ljus bör du få noll. Vi har nu detektorer som avger några ströselektroner per pixel per timme, vilket är nästan perfekt. Det skulle vara bra att bli ännu bättre, men det här är fantastiskt. Jag är imponerad.
Vi behövde förbättra kylskåp i rymden. Vi började säga att vi måste få ett strålande kylt teleskop så att det skulle bli tillräckligt coolt av sig själv, och det är mest sant. Men det visar sig att vi fortfarande behöver ett aktivt kylskåp för att hålla de längsta våglängdsdetektorerna kalla, så vi var tvungna att utveckla det.
Så det är bara några av de saker vi var tvungna att designa, och all teknikutveckling slutfördes slutligen 2007 och godkände granskningsstyrelsens godkännande, som sa: "Ja, de sakerna är äntligen redo att byggas."
Så att bara komma till 2007 var länge, och jag tror inte att folk verkligen har uppskattat vad som krävs för att göra ny teknik redo. Å andra sidan har vi blivit välsignade av att vi inte behöver "säkerhetskopiera". Vi lägger tillräckligt med planering och ansträngning i dessa tekniker som de arbetar nu. Det var en av de saker vi lärde oss från Hubble-projektet, som var, slutför inte din design förrän du vet vad du ska bygga.
UT: Vad sägs om din testprocess. Är det ganska rigoröst?
Mather: Det är en annan lektion vi var tvungna att lära av Hubble. Om du inte testar det kommer det inte att fungera. Vi har lärt oss att ha en mycket bestämd och rigorös process. De testade nog på Hubble för att de kunde ha känt till spegelns fokusproblem. Spegeltillverkaren hade två test som inte var överens och de beslutade att ignorera en av dem istället för att spåra upp orsaken, och det visade sig vara dumt och dyrt.
Vi har en generalisering att om något verkligen betyder något, gör det två gånger. Vi kommer faktiskt att testa teleskopet kallt i den stora vakuumtanken nere vid Johnson Space Center. Så det kommer att vara en fullskalig ”allt-i-början, lätt-i-slutet” typ av test, något de inte kunde göra för Hubble. Men de visste att de kunde fixa Hubble i rymden, och vi vet att vi inte kan fixa JWST, eftersom teleskopet kommer att vara vid L-2-punkten, cirka 1,5 miljoner kilometer från Jorden, vilket är ungefär fyra gånger längre bort från Jorden än månen.
Detta är ett komplicerat projekt, men vår strategi för att göra ett komplicerat projekt skiljer sig dramatiskt från när jag var ung feller. När jag kom hit till Goddard, använde vi pennor och bildregler, och datorer var ganska nya och de flesta hade inte dem. Nu har vi datorer överallt som håller reda på våra dokument. Vi kan göra systemteknik och till och med göra mycket exakta, kompletta simuleringar för att veta om något kommer att passa ihop och fungera innan vi ens byggde det. Så världen har förändrats, och det är en underbar sak att se. Så det är därför vi nu kan bygga detta observatorium för ungefär samma verkliga kostnad som det tog för att få Hubble att starta och fungera. Men JWST är så mycket större och kraftfullare.
UT: Kan du berätta om designen för spegeln för JWST?
Mather: Det svåraste att bygga var spegeln, eftersom vi behövde något som är mycket större än Hubble. Men du kan omöjligt lyfta något så stort eller passa in det i en raket, så du behöver något som är lättare men ändå större, så det måste ha förmågan att fällas upp.
Spegeln är gjord av lätt beryllium och har 18 sexkantiga segment. Teleskopet fälls upp som en fjäril i sin chrysalis och måste helt återställa det själv. Det är en ganska detaljerad process som kommer att ta många timmar. Teleskopet är enormt, 6,5 meter (21 fot), så det är ganska imponerande.
Solskyddet är helt nytt och det kommer också att behöva distribueras. Så det som var lindat i en liten cylinder blir relativt sett en jättesköld ungefär lika stor som en tennisbana. Den är enorm. Allt detta händer i flera steg och kommer att ta dagar. Vi anlitade ett företag, Northrop Grumman som hade erfarenhet av att utveckla saker i rymden, och de säger att detta definitivt inte är det mest komplicerade som de har utvecklat i rymden, vilket är lugnande.
Video av JWST-distributionen i rymden:
UT: Har det varit någon diskussion om första ljuset och vad JWST kommer att se ut först?
Mather: Ja lite. Det kommer att bli den roliga delen efter att vi har satt ihop saken.
UT: Har du några favoritförslag?
Mather: Jag tror att vi bör börja med enkla mål som kommer att vara vackra, som gör det möjligt för allmänheten att säga, "Åh, jag ser att det fungerar!" Några av de första observationerna kan göras när vi sätter upp teleskopet, redan innan det är helt justerat. Eftersom den distribueras efter lanseringen och spegeln inte är nära rätt form till en början, kommer vi att arbeta med detta gradvis. Det finns en testmodell på Ball Aerospace i Boulder Colorado, där vi får öva på att sätta de 18 spegelsegmenten i position. Varje segment har 7 motorer på sig för att kontrollera läget och krökningen, så vi måste repetera den här.
Det här är något de inte kunde göra med Hubble. De ville att de kunde, och det hade motorer men de kunde inte pressa tillräckligt hårt. Det är en intressant historia. Vi lärde oss av Hubble hur man korrigerar optiken baserat på bilderna vi fick, så vi gör det med avsikt för detta teleskop.
UT: Det har varit en del kontroverser om hur JWST kommer att lanseras.
Mather: Vi tar teleskopet till Franska Guyana och laddar det i raketten där nere. ESA köper lanseringsfordonet för oss; det är Ariane 5-raket, en kommersiell produkt från Europa och de har haft en bra körning nyligen, så det är väldigt tillförlitligt.
Naturligtvis orsakade det mycket kontrovers. Även om Europa gav oss startbilen, så att säga, fanns det människor här som inte ville acceptera det. Det tog huvudkontor två år att acceptera det. Det kostade oss pengar. Det enda skälet till att det accepterades var att vi fick en ny administratör som skulle acceptera den. Det var Mike Griffin, så jag vill säga, "tack så mycket Mike Griffin!"
UT: Ditt team har fortfarande mycket att göra före 2013, vilket förmodligen kommer att vara här innan du vet det!
Mather: Ja jag vet. Det är över 13 år sedan NASA kontaktade mig om detta, men nu kommer slutet att komma snabbt. Vi har många tekniska utmaningar framför oss när det gäller att sätta samman allt. Och vi har inte kommit tillräckligt långt för att ta reda på hur många saker vi bröt eller hur många misstag vi gjort, men jag tror att vi är ganska bra på att räkna ut dem innan vi gör dem.
Det kommer att bli väldigt spännande att sätta ihop utrustningen för första gången. Vi har bitarna, vi har bilden i rutan för att visa vart de går, och ganska snart får vi bevisa att de arbetar tillsammans, eller inte. När vi tar emot alla delar här på Goddard kommer de alla att ha testats individuellt, så de är tänkta att spela tillsammans helt fint. Men naturen gillar inte arrogans, så vi måste testa hela saken från början till slut, precis som vi kommer att använda den under flygning. När vi har satt det samman här tar vi det ner till Johnson Spaceflight Center och lägger det i den jätte vakuumtanken där. Det kommer att vara en extraordinär process.
UT: Tack så mycket för att du pratar med oss.
Mather: Det här har varit kul. Jag älskar att berätta min historia och jag är glad att du vill berätta den med oss. Jag tänkte att det kan vara dags att prata om vad vi gör eftersom spännande saker börjar hända. Storslagna saker händer. Vi har fått Kepler-observatoriet upp nu, och förhoppningsvis hittar de en handfull jordliknande planeter att spåra upp och vi tittar närmare på dem.
