Tehokkain koskaan rakennettu avaruusteleskooppi katsoo ajassa taaksepäin maailmankaikkeuden pimeään aikakauteen

Jotkut ovat kutsuneet NASAn James Webb -avaruusteleskooppia "teleskooppi, joka söi tähtitiedettä.” Se on tehokkain avaruusteleskooppi koskaan rakennettu ja monimutkainen mekaaninen origami, joka on työntänyt ihmisen tekniikan rajoja. 18. joulukuuta 2021, vuosien viivästysten ja miljardien dollarien kustannusylitysten jälkeen, teleskooppi suunniteltu laukaistavaksi kiertoradalle ja aloittaa seuraavan tähtitieteen aikakauden.

olen tähtitieteilijä Havaintokosmologian erikoisalalla – olen tutkinut kaukaisia ​​galakseja 30 vuoden ajan. Jotkut suurimmista vastaamattomista kysymyksistä maailmankaikkeudesta liittyvät sen alkuvuosiin juuri alkuräjähdyksen jälkeen. Milloin ensimmäiset tähdet ja galaksit syntyivät? Kumpi tuli ensin ja miksi? Olen uskomattoman innoissani siitä, että tähtitieteilijät saattavat pian paljastaa tarinan galaksien alkamisesta, koska James Webb rakennettiin nimenomaan vastaamaan näihin kysymyksiin.

Universumin "pimeä aikakausi".

Erinomaiset todisteet osoittavat, että maailmankaikkeus sai alkunsa tapahtumasta nimeltä Alkuräjähdys 13.8 miljardia vuotta sitten, mikä jätti sen erittäin kuumaan, erittäin tiheään tilaan. Universumi alkoi heti laajentua alkuräjähdyksen jälkeen ja jäähtyi. Sekunti alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli halkaisijaltaan sata biljoonaa mailia, ja sen keskilämpötila oli uskomaton 18 miljardia Fahrenheit-astetta (10 miljardia celsiusastetta). Noin 400,000 10 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen universumin halkaisija oli XNUMX miljoonaa valovuotta ja lämpötila oli jäähtynyt 5,500 3,000 Fahrenheit-asteeseen (XNUMX XNUMX celsiusastetta). Jos joku olisi ollut paikalla katsomassa sitä tässä vaiheessa, maailmankaikkeus olisi hehkunut himmeän punaisena kuin jättiläinen lämpölamppu.

Koko tämän ajan avaruus oli täynnä korkean energian hiukkasten, säteilyn, vedyn ja heliumin pehmeää keittoa. Ei ollut rakennetta. Laajentuvan maailmankaikkeuden kasvaessa ja kylmemmäksi keitto ohensi ja kaikki muuttui mustaksi. Tämä oli alku sille, mitä tähtitieteilijät kutsuvat Synkät ajat maailmankaikkeuden.

Pimeän keskiajan keitto oli ei täysin yhtenäinen ja painovoiman vuoksi pienet kaasualueet alkoivat kasautua yhteen ja tihenevät. Tasaisesta maailmankaikkeudesta tuli möykkyinen ja nämä pienet tiheämmän kaasun möhkäleet olivat siemeniä lopulta tähtien, galaksien ja kaiken muun universumissa muodostumiselle.

Vaikka ei ollut mitään nähtävää, pimeä keskiaika oli tärkeä vaihe maailmankaikkeuden kehityksessä.

Etsitään ensimmäistä valoa

Pimeä keskiaika päättyi, kun painovoima muodosti ensimmäiset tähdet ja galaksit, jotka lopulta alkoivat lähettää ensimmäistä valoa. Vaikka tähtitieteilijät eivät tiedä, milloin ensimmäinen valo tapahtui, paras arvaus on, että se oli useita satoja miljoonia vuosia alkuräjähdyksen jälkeen. Tähtitieteilijät eivät myöskään tiedä, muodostuivatko tähdet vai galaksit ensin.

Nykyiset teoriat Sen perusteella, miten painovoima muodostaa rakenteen pimeän aineen hallitsemassa universumissa, viittaa siihen, että pienet esineet - kuten tähdet ja tähtiklusterit - muodostuivat todennäköisesti ensin ja kasvoivat myöhemmin kääpiögalakseiksi ja sitten suuremmiksi galakseiksi, kuten Linnunrata. Nämä maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet olivat äärimmäisiä kohteita verrattuna nykypäivän tähtiin. He olivat miljoona kertaa kirkkaampi mutta he elivät hyvin lyhyen elämän. Ne paloivat kuumana ja kirkkaana, ja kuollessaan he jättivät taakseen mustat aukot jopa sata kertaa Auringon massa, mikä saattaa olla toimi galaksien muodostumisen siemeninä.

Tähtitieteilijät haluaisivat tutkia tätä kiehtovaa ja tärkeää maailmankaikkeuden aikakautta, mutta ensimmäisen valon havaitseminen on uskomattoman haastavaa. Nykypäivän massiivisiin, kirkkaisiin galakseihin verrattuna ensimmäiset esineet olivat hyvin pieniä, ja universumin jatkuvan laajenemisen vuoksi ne ovat nyt kymmenien miljardien valovuosien päässä Maasta. Myös varhaisimpia tähtiä ympäröi niiden muodostumisesta jäänyt kaasu, ja tämä kaasu toimi sumun tavoin, joka absorboi suurimman osan valosta. Se kesti useita satoja miljoonia vuosia säteily puhaltaakseen sumun pois. Tämä varhainen valo on hyvin himmeä, kun se pääsee maan päälle.

Mutta tämä ei ole ainoa haaste.

Kun universumi laajenee, se venyttää jatkuvasti sen läpi kulkevan valon aallonpituutta. Tätä kutsutaan punasiirtymä koska se siirtää lyhyempien aallonpituuksien valoa - kuten sininen tai valkoinen valo - pidempiin aallonpituuksiin, kuten punainen tai infrapunavalo. Vaikka se ei ole täydellinen analogia, se muistuttaa sitä, kuinka auto ajaa ohitsesi, minkä tahansa äänen sävelkorkeus laskee huomattavasti.

Siihen mennessä, kun varhaisen tähden tai galaksin 13 miljardia vuotta sitten lähettämä valo saavuttaa minkä tahansa maan kaukoputken, se on venynyt 10-kertaiseksi maailmankaikkeuden laajentuessa. Se saapuu infrapunavalona, ​​mikä tarkoittaa, että sen aallonpituus on pidempi kuin punaisella valolla. Nähdäksesi ensimmäisen valon, sinun on etsittävä infrapunavaloa.

Teleskooppi aikakoneena

Mene James Webbin avaruusteleskooppiin.

Teleskoopit ovat kuin aikakoneita. Jos esine on 10,000 10,000 valovuoden päässä, valolla kestää XNUMX XNUMX vuotta päästäkseen Maahan. Joten mitä kauemmaksi avaruudesta tähtitieteilijät katsovat, sitä katsomme ajassa taaksepäin.

Engineers optimoitu James Webb varhaisimpien tähtien tai galaksien heikon infrapunavalon havaitsemiseen. Hubble-avaruusteleskooppiin verrattuna, James Webbin kameran näkökenttä on 15 kertaa laajempi, kerää kuusi kertaa enemmän valoa, ja sen anturit on viritetty herkimmäksi infrapunavalolle.

Strategia tulee olemaan tuijottaa syvästi yhtä taivaanpalaa pitkään, kerää mahdollisimman paljon valoa ja tietoa kaukaisimmista ja vanhimmista galakseista. Näillä tiedoilla voi olla mahdollista vastata, milloin ja miten pimeä keskiaika päättyi, mutta monia muita tärkeitä löytöjä on tehtävänä. Esimerkiksi tämän tarinan purkaminen voi myös auttaa selittämään pimeän aineen luonnetta, aineen salaperäinen muoto, joka muodostaa noin 80 prosenttia maailmankaikkeuden massasta.

James Webb on teknisesti vaikein tehtävä NASA on koskaan yrittänyt. Mutta uskon, että tieteelliset kysymykset, joihin se voi auttaa vastaamaan, ovat jokaisen vaivan arvoisia. Minä ja muut tähtitieteilijät odotamme innolla, että tiedot alkavat tulla takaisin joskus vuonna 2022.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuvan luotto: Hubble Deep Field / NASA

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