Det mest kraftfulde rumteleskop, der nogensinde er bygget, vil se tilbage i tiden til universets mørke middelalder

Nogle har kaldt NASAs James Webb-rumteleskop for "teleskop, der spiste astronomi. ” Det er det kraftigste rumteleskop nogensinde bygget og et komplekst stykke mekanisk origami, der har rykket grænserne for menneskelig teknik. Den 18. december 2021, efter år med forsinkelser og milliarder af dollars i omkostningsoverskridelser, er teleskopet planlagt til at lancere i kredsløb og indvarsle den næste æra af astronomi.

Jeg er en astronom med speciale i observationel kosmologi – jeg har studeret fjerne galakser i 30 år. Nogle af de største ubesvarede spørgsmål om universet vedrører dets tidlige år lige efter Big Bang. Hvornår blev de første stjerner og galakser dannet? Hvad kom først, og hvorfor? Jeg er utrolig spændt på, at astronomer snart kan afsløre historien om, hvordan galakser startede, fordi James Webb blev bygget specifikt til at besvare netop disse spørgsmål.

Universets 'mørke tidsalder'

Fremragende beviser viser, at universet startede med en begivenhed kaldet Stort brag 13.8 milliarder år siden, hvilket efterlod den i en ultravarm, ultratæt tilstand. Universet begyndte straks at udvide sig efter Big Bang og afkølede, mens det gjorde det. Et sekund efter Big Bang var universet hundrede billioner miles på tværs med en gennemsnitstemperatur på utrolige 18 milliarder grader Fahrenheit (10 milliarder grader Celsius). Omkring 400,000 år efter Big Bang var universet 10 millioner lysår på tværs, og temperaturen var afkølet til 5,500 grader Fahrenheit (3,000 grader Celsius). Hvis nogen havde været der for at se det på dette tidspunkt, ville universet have lyst mat rødt som en kæmpe varmelampe.

I hele denne tid var rummet fyldt med en glat suppe af højenergipartikler, stråling, brint og helium. Der var ingen struktur. Efterhånden som det ekspanderende univers blev større og koldere, tyndede suppen ud, og alt blev sort. Dette var starten på det, astronomerne kalder Den mørke middelalder af universet.

Den mørke middelalders suppe var ikke helt ensartet og på grund af tyngdekraften begyndte små områder af gas at klumpe sig sammen og blive mere tætte. Det glatte univers blev klumpet, og disse små klumper af tættere gas var frø til den endelige dannelse af stjerner, galakser og alt muligt andet i universet.

Selvom der ikke var noget at se, var den mørke middelalder en vigtig fase i universets udvikling.

Leder efter det første lys

Den mørke middelalder sluttede, da tyngdekraften dannede de første stjerner og galakser, der til sidst begyndte at udsende det første lys. Selvom astronomer ikke ved, hvornår det første lys skete, er det bedste gæt, at det var det flere hundrede millioner år efter Big Bang. Astronomer ved heller ikke, om stjerner eller galakser blev dannet først.

Nuværende teorier baseret på, hvordan tyngdekraften danner struktur i et univers domineret af mørkt stof, tyder på, at små objekter – som stjerner og stjernehobe – sandsynligvis først blev dannet og så senere voksede til dværggalakser og derefter større galakser som Mælkevejen. Disse første stjerner i universet var ekstreme objekter sammenlignet med stjerner i dag. De var en million gange lysere men de levede meget korte liv. De brændte varmt og lyst, og da de døde, forlod de sorte huller op til hundrede gange Solens masse, hvilket måske har fungerede som frø til galaksedannelse.

Astronomer ville elske at studere denne fascinerende og vigtige æra af universet, men at opdage det første lys er utroligt udfordrende. Sammenlignet med nutidens massive, lyse galakser var de første objekter meget små, og på grund af universets konstante udvidelse er de nu titusinder af lysår væk fra Jorden. Også de tidligste stjerner var omgivet af gas tilbage fra deres dannelse, og denne gas virkede som tåge, der absorberede det meste af lyset. Det tog flere hundrede millioner år stråling for at sprænge tågen væk. Dette tidlige lys er meget svagt, når det kommer til Jorden.

Men dette er ikke den eneste udfordring.

Når universet udvider sig, strækker det kontinuerligt bølgelængden af ​​lys, der rejser gennem det. Dette kaldes rødforskydning fordi det skifter lys med kortere bølgelængder – som blåt eller hvidt lys – til længere bølgelængder som rødt eller infrarødt lys. Selvom det ikke er en perfekt analogi, svarer det til, hvordan når en bil kører forbi dig, falder tonehøjden af ​​enhver lyd, den laver, mærkbart.

På det tidspunkt, hvor lys udsendt af en tidlig stjerne eller galakse for 13 milliarder år siden når ethvert teleskop på Jorden, er det blevet strakt med en faktor 10 ved udvidelsen af ​​universet. Det ankommer som infrarødt lys, hvilket betyder, at det har en længere bølgelængde end rødt lys. For at se det første lys, skal du lede efter infrarødt lys.

Teleskop som tidsmaskine

Gå ind i James Webb-rumteleskopet.

Teleskoper er som tidsmaskiner. Hvis et objekt er 10,000 lysår væk, betyder det, at lyset tager 10,000 år om at nå Jorden. Så jo længere ude i rummet astronomer kigger, jo længere tilbage i tiden søger vi.

Ingeniører optimeret James Webb til specifikt at detektere det svage infrarøde lys fra de tidligste stjerner eller galakser. Sammenlignet med Hubble-rumteleskopet, James Webb har et 15 gange bredere synsfelt på sit kamera, opsamler seks gange mere lys, og dens sensorer er indstillet til at være mest følsomme over for infrarødt lys.

Strategien vil være at stirre dybt på en plet af himlen i lang tid, der indsamler så meget lys og information fra de fjerneste og ældste galakser som muligt. Med disse data kan det være muligt at svare på, hvornår og hvordan den mørke middelalder sluttede, men der er mange andre vigtige opdagelser, der skal gøres. For eksempel kan optrævlingen af ​​denne historie også hjælpe med at forklare karakteren af ​​mørkt stof, den mystiske form for stof, der udgør om 80 procent af universets masse.

James Webb er den mest teknisk svære mission NASA har nogensinde forsøgt. Men jeg tror, ​​at de videnskabelige spørgsmål, det kan hjælpe med at besvare, vil være hver eneste unse indsats værd. Jeg og andre astronomer venter spændt på, at dataene begynder at komme tilbage engang i 2022.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billedkredit: Hubble Deep Field / NASA

Kilde: https://singularityhub.com/2021/10/24/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of- universet/