Το πιο ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε ποτέ θα κοιτάξει πίσω στο χρόνο στις σκοτεινές εποχές του σύμπαντος

Κάποιοι έχουν αποκαλέσει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA το «τηλεσκόπιο που έφαγε την αστρονομία.» Είναι το το πιο ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε ποτέ και ένα πολύπλοκο κομμάτι μηχανικού origami που έχει ξεπεράσει τα όρια της ανθρώπινης μηχανικής. Στις 18 Δεκεμβρίου 2021, μετά από χρόνια καθυστερήσεων και υπερβάσεις κόστους δισεκατομμυρίων δολαρίων, το τηλεσκόπιο είναι έχει προγραμματιστεί να εκτοξευθεί σε τροχιά και εγκαινιάζουν την επόμενη εποχή της αστρονομίας.

είμαι ενας αστρονόμος με ειδικότητα στην παρατηρητική κοσμολογία—μελετώ μακρινούς γαλαξίες εδώ και 30 χρόνια. Μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν σχετίζονται με τα πρώτα χρόνια του αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες; Ποιο ήρθε πρώτο και γιατί; Είμαι απίστευτα ενθουσιασμένος που οι αστρονόμοι μπορεί σύντομα να αποκαλύψουν την ιστορία του πώς ξεκίνησαν οι γαλαξίες επειδή ο James Webb κατασκευάστηκε ειδικά για να απαντήσει σε αυτές ακριβώς τις ερωτήσεις.

Οι «Σκοτεινοί Χρόνοι» του Σύμπαντος

Εξαιρετικά στοιχεία δείχνουν ότι το σύμπαν ξεκίνησε με ένα γεγονός που ονομάζεται το Μεγάλη έκρηξη Πριν από 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια, γεγονός που το άφησε σε μια εξαιρετικά καυτή, εξαιρετικά πυκνή κατάσταση. Το σύμπαν άρχισε αμέσως να διαστέλλεται μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ψύχοντας καθώς το έκανε. Ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν είχε πλάτος εκατό τρισεκατομμύρια μίλια με μια μέση θερμοκρασία των απίστευτων 18 δισεκατομμυρίων βαθμών Φαρενάιτ (10 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου). Περίπου 400,000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν είχε πλάτος 10 εκατομμύρια έτη φωτός και το η θερμοκρασία είχε κρυώσει στους 5,500 βαθμούς Φαρενάιτ (3,000 βαθμούς Κελσίου). Αν κάποιος ήταν εκεί για να το δει σε αυτό το σημείο, το σύμπαν θα έλαμπε θαμπό κόκκινο σαν γιγάντια λάμπα θερμότητας.

Σε όλο αυτό το διάστημα, ο χώρος ήταν γεμάτος με μια λεία σούπα από σωματίδια υψηλής ενέργειας, ακτινοβολία, υδρογόνο και ήλιο. Δεν υπήρχε δομή. Καθώς το διαστελλόμενο σύμπαν γινόταν όλο και πιο κρύο, η σούπα αραίωσε και όλα έγιναν μαύρα. Αυτή ήταν η αρχή αυτού που οι αστρονόμοι αποκαλούν Σκοτεινα ΧΡΟΝΙΑ του σύμπαντος.

Η σούπα των σκοτεινών χρόνων ήταν όχι απόλυτα ομοιόμορφο και λόγω της βαρύτητας, μικροσκοπικές περιοχές αερίου άρχισαν να συσσωρεύονται και να γίνονται πιο πυκνές. Το ομαλό σύμπαν έγινε άμορφο και αυτές οι μικρές συστάδες πυκνότερων αερίων ήταν σπόροι για τον τελικό σχηματισμό των άστρων, των γαλαξιών και οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν.

Αν και δεν υπήρχε τίποτα να δει κανείς, οι Σκοτεινοί Χρόνοι ήταν μια σημαντική φάση στην εξέλιξη του σύμπαντος.

Αναζητώντας το Πρώτο φως

Η Σκοτεινή Εποχή τελείωσε όταν η βαρύτητα σχημάτισε τα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες που τελικά άρχισαν να εκπέμπουν το πρώτο φως. Αν και οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν πότε έγινε το πρώτο φως, η καλύτερη εικασία είναι ότι ήταν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι αστρονόμοι επίσης δεν γνωρίζουν εάν τα αστέρια ή οι γαλαξίες σχηματίστηκαν πρώτα.

Σύγχρονες θεωρίες με βάση το πώς η βαρύτητα σχηματίζει τη δομή σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ύλη υποδηλώνει ότι μικρά αντικείμενα -όπως αστέρια και αστρικά σμήνη- πιθανότατα σχηματίστηκαν πρώτα και στη συνέχεια αργότερα μεγάλωσαν σε νάνους γαλαξίες και μετά σε μεγαλύτερους γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας. Αυτά τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν ήταν ακραία αντικείμενα σε σύγκριση με τα αστέρια του σήμερα. Ήταν ένα εκατομμύριο φορές πιο φωτεινό αλλά έζησαν πολύ σύντομες ζωές. Κάηκαν ζεστά και λαμπερά και όταν πέθαναν, άφησαν πίσω τους μαύρες τρύπες έως και εκατό φορές τη μάζα του Ήλιου, που μπορεί να έχει λειτούργησε ως σπόροι για το σχηματισμό γαλαξιών.

Οι αστρονόμοι θα ήθελαν να μελετήσουν αυτή τη συναρπαστική και σημαντική εποχή του σύμπαντος, αλλά η ανίχνευση του πρώτου φωτός είναι απίστευτα δύσκολη. Σε σύγκριση με τους σημερινούς τεράστιους, φωτεινούς γαλαξίες, τα πρώτα αντικείμενα ήταν πολύ μικρά και λόγω της συνεχούς διαστολής του σύμπαντος, βρίσκονται τώρα δεκάδες δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Επίσης, τα πρώτα αστέρια περιβάλλονταν από αέριο που είχε απομείνει από το σχηματισμό τους και αυτό το αέριο λειτουργούσε σαν ομίχλη που απορροφούσε το μεγαλύτερο μέρος του φωτός. Χρειάστηκαν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για ακτινοβολία για να απομακρύνει την ομίχλη. Αυτό το πρώιμο φως είναι πολύ αχνό από τη στιγμή που φτάνει στη Γη.

Αλλά αυτή δεν είναι η μόνη πρόκληση.

Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, τεντώνει συνεχώς το μήκος κύματος του φωτός που ταξιδεύει μέσα από αυτό. Αυτό ονομάζεται μετατόπιση προς το ερυθρό επειδή μετατοπίζει φως μικρότερου μήκους κύματος - όπως το μπλε ή το λευκό φως - σε μεγαλύτερα μήκη κύματος όπως το κόκκινο ή το υπέρυθρο φως. Αν και δεν είναι τέλεια αναλογία, είναι παρόμοιο με το πώς όταν ένα αυτοκίνητο περνάει δίπλα σας, η ένταση των ήχων που κάνει πέφτει αισθητά.

Μέχρι τη στιγμή που το φως που εκπέμπεται από ένα πρώιμο αστέρι ή γαλαξία πριν από 13 δισεκατομμύρια χρόνια φτάνει σε οποιοδήποτε τηλεσκόπιο στη Γη, έχει τεντωθεί κατά 10 φορές λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Φτάνει ως υπέρυθρο φως, που σημαίνει ότι έχει μήκος κύματος μεγαλύτερο από αυτό του κόκκινου φωτός. Για να δείτε το πρώτο φως, πρέπει να αναζητήσετε υπέρυθρο φως.

Το τηλεσκόπιο ως μηχανή του χρόνου

Μπείτε στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Τα τηλεσκόπια είναι σαν χρονομηχανές. Εάν ένα αντικείμενο βρίσκεται 10,000 έτη φωτός μακριά, αυτό σημαίνει ότι το φως χρειάζεται 10,000 χρόνια για να φτάσει στη Γη. Έτσι, όσο πιο έξω στο διάστημα φαίνονται οι αστρονόμοι, τόσο πιο πίσω στο χρόνο ψάχνουμε.

Μηχανικοί βελτιστοποιημένη James Webb για την ειδική ανίχνευση του εξασθενούς υπέρυθρου φωτός των πρώιμων αστεριών ή γαλαξιών. Σε σύγκριση με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, Ο James Webb έχει 15 φορές ευρύτερο οπτικό πεδίο στην κάμερά του, συλλέγει έξι φορές περισσότερο φως και οι αισθητήρες του είναι ρυθμισμένοι ώστε να είναι πιο ευαίσθητοι στο υπέρυθρο φως.

Η στρατηγική θα είναι να κοιτάξτε βαθιά σε ένα κομμάτι του ουρανού για πολλή ώρα, συλλέγοντας όσο το δυνατόν περισσότερο φως και πληροφορίες από τους πιο μακρινούς και παλαιότερους γαλαξίες. Με αυτά τα δεδομένα, μπορεί να είναι δυνατό να απαντηθεί πότε και πώς τελείωσε ο Σκοτεινός Χρόνος, αλλά υπάρχουν πολλές άλλες σημαντικές ανακαλύψεις που πρέπει να γίνουν. Για παράδειγμα, η αποκάλυψη αυτής της ιστορίας μπορεί επίσης να εξηγήσει τη φύση της σκοτεινής ύλης, η μυστηριώδης μορφή της ύλης που αποτελείται περίπου 80 τοις εκατό της μάζας του σύμπαντος.

Ο Τζέιμς Γουέμπ είναι ο η πιο δύσκολη τεχνικά αποστολή Η NASA έχει προσπαθήσει ποτέ. Αλλά νομίζω ότι τα επιστημονικά ερωτήματα που μπορεί να βοηθήσει να απαντηθούν θα αξίζουν κάθε ουγγιά προσπάθειας. Εγώ και άλλοι αστρονόμοι περιμένουμε με ενθουσιασμό τα δεδομένα να αρχίσουν να επιστρέφουν κάποια στιγμή το 2022.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Πίστωση εικόνας: Hubble Deep Field / NASA

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