John Mather van NASA blijft ons begrip van het universum opnieuw definiëren

De ruimtevaart is niet alleen moeilijk vanwege raketwetenschap. De taak om de missie van NASA te verplaatsen van ontwikkeling en financiering naar constructie en lancering – allemaal voordat we het object voor wetenschappelijke doeleinden gebruiken – kan tientallen jaren duren. Hun hele carrière is besteed aan het plaatsen van één enkele satelliet in de ruimte. John Mather, een Nobelprijswinnend NASA-natuurkundige, heeft er al mee geholpen er twee te sturen.

In hun nieuwe boek Binnen in de Star Factory: de constructie van de James Webb-ruimtetelescoop, het grootste en krachtigste ruimteobservatorium van NASA, Auteur Christopher Wanjek en fotograaf Chris Gunn nemen lezers mee op een rondleiding achter de schermen van de reis van de James Webb-ruimtetelescoop, van het begin tot de baan. Textielonderzoek van de radicale beeldtechnologie die ons in staat stelt dieper in het vroege universum te duiken dan ooit tevoren, met profielen van de onderzoekers, consultants, managers, ingenieurs en technici die dit mogelijk hebben gemaakt door dertig jaar inspanning. In het fragment van Writing van deze week een blik op JWST-projectwetenschapper John Mather en zijn onwaarschijnlijke reis van het landelijke New Jersey naar NASA.

Aangepast van “Binnen in de Star Factory: de constructie van de James Webb-ruimtetelescoop, het grootste en krachtigste ruimteobservatorium van NASACopyright © 2023 door Chris Gunn en Christopher Wanjek. Gebruikt met toestemming van de uitgever, MIT Press.

John Mather, projectwetenschapper

– Stevige hand in controle

John Mather is een geduldig man. Het duurde dertig jaar voordat hij in 2006 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving. Die prijs, voor definitief bewijs van de oerknal, was gebaseerd op een machine ter grootte van een bus genaamd COBE, een andere NASA-missie die bijna nooit heeft plaatsgevonden. Drama-ontwerp? Ik was daar. Heeft u te maken met onverwachte vertragingen? Ik deed dat. NASA’s keuze voor Mather als JWST-projectwetenschapper was puur inzicht.

Net als Webb was COBE – de Cosmic Background Explorer – bedoeld als een tijdmachine die een momentopname van het vroege universum zou onthullen. Het doeltijdperk lag slechts 370.000 jaar na de oerknal, toen het universum nog steeds een mist van elementaire deeltjes was zonder waarneembare structuur. Dit wordt het tijdperk van de recombinatie genoemd, wanneer het hete universum afkoelt tot een punt waarop protonen zich kunnen binden met elektronen om de eerste atomen te vormen, meestal waterstof met een beetje helium en lithium. Terwijl de atomen zich vormden, trok de mist op en werd het universum helder. Licht drong door. Dit oeroude licht, afkomstig van de oerknal zelf, is vandaag de dag bij ons aanwezig als een overblijfsel van microgolfstraling, de kosmische microgolfachtergrond genoemd.

Lang maar nooit imposant, veeleisend maar nooit gemeen: Mather is een onderzoek naar contrasten. Hij bracht zijn jeugd door op slechts anderhalve kilometer van de Appalachian Trail op het platteland van Sussex County, New Jersey, waar zijn vrienden zich bezighielden met alledaagse zaken zoals klusjes op de boerderij. Mather, wiens vader een specialist in veehouderij en statistiek was, was echter meer geïnteresseerd in wetenschap en wiskunde. Op zesjarige leeftijd begreep hij het concept van oneindigheid toen hij een pagina in zijn notitieboekje met een heel groot getal vulde en besefte dat hij eeuwig door kon gaan. Hij laadde zich vol met boeken uit een mobiele bibliotheek die elke twee weken boerderijen bezocht. Zijn vader werkte op het Agricultural Experiment Station van Rutgers University en had een laboratorium op de boerderij met radio-isotopenapparatuur om het metabolisme te bestuderen en tanks voor vloeibare stikstof met bevroren stierensperma. Zijn vader was rond 1960 ook een van de eerste gebruikers van computers in het gebied en hield de melkproductiegegevens van 10.000 koeien bij op IBM-ponskaarten. Zijn moeder, een lerares op een basisschool, was ook behoorlijk opgeleid en stimuleerde de interesse van de jonge John in de wetenschap.

Uiteindelijk bracht de mogelijkheid van warm weer het hele jaar door Mather in 1968 naar de University of California, Berkeley, voor een graduate studie in natuurkunde. Hij zou zich hebben aangesloten bij een menigte mensen die gefascineerd waren door de nieuw ontdekte kosmische achtergrondstraling, die in 1965 bij toeval werd ontdekt door radioastronomen Arno Penzias en Robert Wilson. Zijn scriptieadviseur bedacht een ballonexperiment om het spectrum, of de kleur, van deze straling te meten om te zien of deze daadwerkelijk afkomstig was van de oerknal. (Dat is zo.) Het volgende voor de hand liggende is om dit licht in kaart te brengen om te zien, zoals de theorie suggereerde, of de temperatuur aan de hemel enigszins verandert. Jaren later ontdekten hij en het COBE-team dit: anisotropie, een ongelijkmatige verdeling van energie. Deze kleine temperatuurschommelingen duiden op schommelingen in de dichtheid van materie, voldoende om de uitdijing, althans lokaal, te stoppen. Door de invloed van de zwaartekracht zal materie zich in kosmische meren verzamelen en honderden miljoenen jaren later sterren en sterrenstelsels vormen. In wezen hebben Mather en zijn team een ​​audioblauwdruk van het ontluikende universum vastgelegd.

De COBE-missie heeft echter, net als die van Webb, tegenslagen gekend. Mather en het team stelden het missieconcept (voor de tweede keer) voor in 1976. NASA accepteerde het voorstel, maar kondigde dat jaar aan dat deze satelliet en de meeste andere vanaf dat moment in een baan om de aarde zouden worden gebracht door de Space Shuttle, die zelf nog steeds niet in gebruik was. Rennen. In ontwikkeling. De geschiedenis zal de dwaasheid van een dergelijk plan onthullen. Mather begreep het onmiddellijk. Hiermee werd het COBE-ontwerp gekoppeld aan de laadruimte van de ongebouwde shuttle. Ingenieurs zullen moeten voldoen aan de exacte massa- en volume-eisen voor een schip dat nog niet heeft gevlogen. Nog lastiger is dat COBE een polaire baan nodig heeft, wat voor de Space Shuttle moeilijk te verwezenlijken is. Het COBE-team werd vervolgens belast met bezuinigingen en compromissen in het COBE-ontwerp als gevolg van kostenoverschrijdingen voor een andere baanbrekende ruimtewetenschappelijke missie, de Infrared Astronomical Satellite of IRAS. Er is echter hard gewerkt aan het ontwerpen van instrumenten die gevoelig genoeg zijn om temperatuurveranderingen te detecteren die slechts een paar graden boven het absolute nulpunt liggen, ongeveer min 270 graden Celsius. Vanaf 1980 was Mather de hele dag, elke dag bezig met het creëren van COBE. Het team moest bezuinigen en risicovolle beslissingen nemen om binnen het budget te blijven. COBE zou in 1988 zijn gelanceerd met de Space Shuttle-missie STS-82-B vanaf de luchtmachtbasis Vandenberg. Alle joins komen eraan.

Toen ontplofte de Space Shuttle Challenger in 1986, waarbij alle zeven bemanningsleden omkwamen. NASA heeft shuttlevluchten voor onbepaalde tijd opgeschort. COBE, nu beperkt tot shuttle-specificaties, kon op geen enkel ander raketsysteem lanceren. De COBE was op dat moment te groot voor een Delta-raket; Ironisch genoeg had Mather Delta in gedachten bij zijn eerste tekening in 1974. Het team keek naar Europa voor een draagraket, maar dat was geen optie voor NASA. In plaats daarvan leidden projectmanagers een herontwerp om honderden ponden te besparen, waardoor de lanceermassa werd teruggebracht tot 5.000 pond, samen met brandstof, waardoor het met een paar pond binnen de deltagrenzen zou komen. Oh, en McDonnell Douglas moest de Delta-raket bouwen uit reserveonderdelen, nadat hij de serie moest stopzetten ten gunste van de Space Shuttle.

De volgende twee jaar werkte het team de klok rond. De laatste ontwerpuitdaging was… wacht maar… het zonnescherm, dat nu in de raket moest worden opgevouwen en eenmaal in een baan om de aarde moest worden gelanceerd, een nieuwe aanpak. COBE kreeg groen licht om te lanceren vanaf de Vandenberg Air Force Base in Californië, een locatie die oorspronkelijk was aangevraagd omdat deze gemakkelijker toegang zou bieden tot een polaire baan dan het lanceren van een shuttle vanuit Florida. De lancering was gepland voor november 1989. COBE werd enkele maanden eerder opgeleverd.

Toen, op 17 oktober, schudde de grond van Californië hevig. Een aardbeving met een kracht van 6,9 trof Santa Cruz County en veroorzaakte grote schade aan gebouwen. Vandenberg, 320 kilometer ten zuiden, voelde de beving. Gelukkig was de COBE alleen veilig geïnstalleerd omdat twee van de toezichthoudende technici hem die dag voordat ze naar de bruiloft gingen, hadden beveiligd. De machine liep geen schade op en werd op 18 november met succes gelanceerd. Meer drama kwam met harde wind op de lanceringsdag. Tijdens de eerste werkingsweken volgden talloze zorgen: de cryostaat koelde te snel af; Zonlicht dat weerkaatst op het Antarctische ijs heeft grote schade aangericht aan het energiesysteem. Elektronen en protonen die vastzaten in de Van Allen-riemen maakten de elektronica onbruikbaar; En zo verder, enzovoort.

Alle vertragingen, al het drama verdwenen voor Mather in een verre herinnering toen de resultaten van het COBE-onderzoek binnenkwamen. Het verzamelen van gegevens kan vier jaar duren. Maar de resultaten waren verbluffend. Het eerste resultaat kwam weken na de lancering, toen Mather het spectrum onder een staande ovatie aan de American Astronomical Society liet zien. De oerknal was als theorie veilig. Twee jaar later, tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society in april 1992, toonde het team hun eerste kaart. De gegevens komen exact overeen met de theorie. Dit was de nagloed van de oerknal die de zaden onthulde die zouden uitgroeien tot sterren en sterrenstelsels. Natuurkundige Stephen Hawking beschreef het als ‘de belangrijkste ontdekking van de eeuw, zo niet aller tijden’.

Mather sprak nederig over deze ontdekking in zijn toespraak voor de aanvaarding van de Nobelprijs in 2006, waarbij hij alle eer betuigde aan zijn briljante team en collega George Smoot, met wie hij de prijs dat jaar deelde. Maar hij bagatelliseerde het belang van de prestatie niet. Hij merkte op dat hij opgetogen was over de ‘bredere erkenning dat ons werk net zo belangrijk was als mensen in de wereld van de professionele astronomie al lang wisten.’

Mather handhaaft dit realisme vandaag de dag. Hoewel hij zich zorgen maakte over vertragingen, dreigingen met annulering, kostenoverschrijdingen en niet zo subtiele vijandigheid in de bredere wetenschappelijke gemeenschap over ‘de telescoop die de astronomie opslokte’, liet hij hem of zijn team er niet door verteren. ‘Het heeft geen zin om te proberen de gevoelens van anderen te beheersen’, zei hij. “Veel feedback uit de gemeenschap is: ‘Als ik een stuiver had, zou ik het anders uitgeven.'” Maar het is niet hun stuiver. De reden dat we het stuivertje überhaupt hebben, is omdat NASA voor ongelooflijk grote uitdagingen staat. is het ermee eens: “We moeten grote uitdagingen aangaan. En grote uitdagingen zijn niet gratis. Mijn gevoel is dat de enige reden dat er bij NASA een astronomieprogramma is waar iedereen van kan genieten – of waarover kan klagen – is omdat we verbazingwekkend moeilijke projecten uitvoeren. We streven ernaar om de rand van wat mogelijk is.”

Mather voegde eraan toe dat Webb geen haar beter is dan de Hubble-ruimtetelescoop; Het is honderd keer sterker. Zijn grootste zorg bij het ontwerpen van de missie waren echter niet de geavanceerde astronomie-instrumenten, maar eerder het enorme zonnescherm dat open moest. Redundantie is ingebouwd in alle tools en alle implementatiemechanismen; Er zijn twee of meer manieren om het te laten werken als de basismethode mislukt. Maar dit is niet het enige probleem met zonnebrandcrème. Het werkt of het werkt niet.

Nu kan Mather zich volledig richten op de te verwerven wetenschap. Verwacht verrassingen. Het zou hem verbazen als er geen verrassingen waren. ‘Bijna alles in de astronomie komt als een verrassing’, zei hij. “Als je nieuwe apparatuur hebt, krijg je een verrassing.” Zijn vermoeden is dat Webb iets vreemds zou kunnen onthullen over het vroege heelal, misschien een overvloed aan nog nooit eerder geziene kortlevende objecten die iets zeggen over donkere energie, een mysterieuze kracht die de uitdijing van het heelal lijkt te versnellen, of een even mysterieuze kracht. Donkere materie. Hij kan ook niet wachten tot Webb zijn camera’s richt op Alpha Centauri, het sterrenstelsel dat het dichtst bij de aarde staat. Wat als er een planeet bestond die geschikt was voor leven? Webb wordt verondersteld de gevoeligheid te hebben die nodig is om te detecteren welke moleculen eventueel in de atmosfeer aanwezig zijn.

‘Dat zou geweldig zijn,’ zei Mather. Hints van leven uit het dichtstbijzijnde sterrenstelsel? Ja, echt gaaf.