Kõige võimsam kosmoseteleskoop, mis eales ehitatud, vaatab ajas tagasi universumi pimedasse ajastusse

Mõned on nimetanud NASA James Webbi kosmoseteleskoopi "teleskoop, mis sõi astronoomiat. ” See on võimsaim kosmoseteleskoop kunagi ehitatud ja keeruline mehaanilise origami tükk, mis on nihutanud inimtehnoloogia piire. 18. detsembril 2021, pärast aastaid kestnud viivitusi ja miljardite dollarite suurust kulude ületamist, on teleskoop plaanitud orbiidile startida ja juhatab sisse astronoomia järgmise ajastu.

Ma olen astronoom Vaatluskosmoloogia erialaga — olen kaugeid galaktikaid uurinud 30 aastat. Mõned suurimad vastamata küsimused universumi kohta on seotud selle algusaastatega vahetult pärast Suurt Pauku. Millal tekkisid esimesed tähed ja galaktikad? Kumb oli enne ja miks? Olen tohutult põnevil, et astronoomid võivad peagi paljastada galaktikate alguse loo, sest James Webb ehitati just nendele küsimustele vastamiseks.

Universumi "pimedad ajastud".

Suurepärased tõendid näitavad, et universum sai alguse sündmusest nimega Big Bang 13.8 miljardit aastat tagasi, mis jättis selle ülikuuma ja ülitihedasse olekusse. Universum hakkas kohe pärast Suurt Pauku paisuma, jahtudes selle käigus. Üks sekund pärast Suurt Pauku oli universumi läbimõõt sada triljonit miili ja keskmine temperatuur oli uskumatult 18 miljardit kraadi Fahrenheiti (10 miljardit kraadi Celsiuse järgi). Umbes 400,000 10 aastat pärast Suurt Pauku oli universumi läbimõõt XNUMX miljonit valgusaastat ja temperatuur oli jahtunud kuni 5,500 kraadi Fahrenheiti (3,000 kraadi Celsiuse järgi). Kui keegi oleks olnud kohal, et seda praegu näha, oleks universum tuhmpunaselt hõõgunud nagu hiiglaslik soojuslamp.

Kogu selle aja jooksul oli ruum täidetud kõrge energiaga osakeste, kiirguse, vesiniku ja heeliumi sujuva supiga. Struktuuri ei olnud. Kui paisuv universum muutus suuremaks ja külmemaks, supp hõrenes ja kõik muutus mustaks. See oli algus sellele, mida astronoomid nimetavad Hämarad ajad universumi.

Pimeda keskaja supp oli mitte täiesti ühtlane ja gravitatsiooni tõttu hakkasid pisikesed gaasipiirkonnad kokku kleepuma ja tihenema. Sile universum muutus tükkideks ja need väikesed tihedama gaasi tükid olid tähtede, galaktikate ja kõige muu universumis lõpuks moodustumise seemned.

Kuigi seal polnud midagi näha, oli tume keskaeg universumi evolutsiooni oluline etapp.

Otsides esimest valgust

Pime ajastu lõppes, kui gravitatsioon moodustas esimesed tähed ja galaktikad, mis lõpuks hakkasid kiirgama esimest valgust. Kuigi astronoomid ei tea, millal esimene valgus sündis, on parim oletus, et see oli nii mitusada miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Astronoomid ei tea ka, kas tähed või galaktikad tekkisid kõigepealt.

Praegused teooriad Selle põhjal, kuidas gravitatsioon tumeainest domineerivas universumis struktuuri kujundab, viitab sellele, et väikesed objektid, nagu tähed ja täheparved, tekkisid esmalt ja kasvasid hiljem kääbusgalaktikateks ja seejärel suuremateks galaktikateks nagu Linnutee. Need esimesed tähed universumis olid tänapäeva tähtedega võrreldes äärmuslikud objektid. Nad olid miljon korda heledam kuid nad elasid väga lühikest elu. Nad põlesid kuumalt ja eredalt ning kui nad surid, jätsid nad maha mustad augud kuni sajakordne Päikese mass, mis võib olla toimis galaktikate moodustamise seemnetena.

Astronoomid tahaksid seda põnevat ja tähtsat universumi ajastut uurida, kuid esimese valguse tuvastamine on uskumatult keeruline. Võrreldes tänapäevaste massiivsete heledate galaktikatega olid esimesed objektid väga väikesed ja universumi pideva paisumise tõttu on nad nüüd Maast kümnete miljardite valgusaastate kaugusel. Samuti olid kõige varasemad tähed ümbritsetud nende tekkest järele jäänud gaasiga ja see gaas toimis nagu udu, mis neelas suurema osa valgusest. Selleks kulus mitusada miljonit aastat kiirgust, et udu ära puhuda. See varajane valgus on Maale jõudes väga nõrk.

Kuid see pole ainus väljakutse.

Universumi paisumisel venitab see pidevalt seda läbiva valguse lainepikkust. Seda nimetatakse punanihe kuna see nihutab lühema lainepikkusega valgust – nagu sinine või valge valgus – pikematele lainepikkustele nagu punane või infrapunavalgus. Kuigi see pole täiuslik analoogia, sarnaneb see sellega, kuidas auto sinust mööda sõites langeb märgatavalt selle helide kõrgus.

Selleks ajaks, kui varajase tähe või galaktika poolt 13 miljardit aastat tagasi kiiratud valgus mis tahes Maa teleskoobini jõuab, on universumi paisumine seda 10 korda venitanud. See saabub infrapunavalgusena, mis tähendab, et selle lainepikkus on pikem kui punasel valgusel. Esimese valguse nägemiseks peate otsima infrapunavalgust.

Teleskoop kui ajamasin

Sisenege James Webbi kosmoseteleskoobi.

Teleskoobid on nagu ajamasinad. Kui objekt asub 10,000 10,000 valgusaasta kaugusel, kulub valgusel Maale jõudmiseks XNUMX XNUMX aastat. Nii et mida kaugemale kosmosesse astronoomid vaatavad, seda vaatame ajas kaugemale.

Inseneride optimeeritud James Webb varaseimate tähtede või galaktikate nõrga infrapunavalguse tuvastamiseks. Võrreldes Hubble'i kosmoseteleskoobiga, James Webbil on kaameral 15 korda laiem vaateväli, kogub kuus korda rohkem valgust ja selle andurid on häälestatud infrapunavalguse suhtes kõige tundlikumaks.

Strateegia saab olema vaata sügavalt ühte taevalaiku pikka aega, kogudes võimalikult palju valgust ja teavet kõige kaugematest ja vanimatest galaktikatest. Nende andmete põhjal saab ehk vastata, millal ja kuidas pime keskaeg lõppes, kuid teha on veel palju muid olulisi avastusi. Näiteks võib ka selle loo lahti harutamine aitab selgitada tumeaine olemust, mateeria salapärane vorm, mis moodustab umbes 80 protsenti universumi massist.

James Webb on tehniliselt kõige raskem missioon NASA on kunagi proovinud. Kuid ma arvan, et teaduslikud küsimused, millele see võib aidata vastata, on igat pingutust väärt. Mina ja teised astronoomid ootame põnevusega, millal andmed millalgi 2022. aastal tagasi tulevad.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Pildi krediit: Hubble Deep Field / NASA

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