Il più potente telescopio spaziale mai costruito guarderà indietro nel tempo fino ai secoli bui dell'universo

Alcuni hanno definito il telescopio spaziale James Webb della NASA il "telescopio che mangiava l'astronomia.” È il telescopio spaziale più potente mai costruito e un complesso pezzo di origami meccanico che ha spinto i limiti dell'ingegneria umana. Il 18 dicembre 2021, dopo anni di ritardi e miliardi di dollari di superamento dei costi, il telescopio è programmato per il lancio in orbita e inaugurare la prossima era dell'astronomia.

Io sono un astronomo con una specializzazione in cosmologia osservativa: studio galassie lontane da 30 anni. Alcune delle più grandi domande senza risposta sull'universo riguardano i suoi primi anni subito dopo il Big Bang. Quando si sono formate le prime stelle e galassie? Quale è venuto prima, e perché? Sono incredibilmente entusiasta che gli astronomi possano presto scoprire la storia di come sono nate le galassie perché James Webb è stato creato appositamente per rispondere proprio a queste domande.

I "secoli bui" dell'universo

Prove eccellenti mostrano che l'universo è iniziato con un evento chiamato il Big Bang 13.8 miliardi di anni fa, che lo ha lasciato in uno stato ultra caldo e ultra denso. L'universo iniziò immediatamente ad espandersi dopo il Big Bang, raffreddandosi mentre lo faceva. Un secondo dopo il Big Bang, l'universo aveva un diametro di cento trilioni di miglia con una temperatura media di un incredibile 18 miliardi di gradi Fahrenheit (10 miliardi di gradi Celsius). Circa 400,000 anni dopo il Big Bang, l'universo misurava 10 milioni di anni luce e il la temperatura si era raffreddata a 5,500 gradi Fahrenheit (3,000 gradi Celsius). Se qualcuno fosse stato lì per vederlo a questo punto, l'universo avrebbe brillato di un rosso opaco come una gigantesca lampada riscaldante.

Per tutto questo tempo, lo spazio è stato riempito da una zuppa liscia di particelle ad alta energia, radiazioni, idrogeno ed elio. Non c'era struttura. Man mano che l'universo in espansione diventava più grande e più freddo, la zuppa si assottigliava e tutto diventava nero. Questo fu l'inizio di ciò che gli astronomi chiamano il Anni oscuri dell'universo.

La zuppa dei secoli bui era non perfettamente uniforme ea causa della gravità, minuscole aree di gas hanno cominciato a raggrupparsi e diventare più dense. L'universo liscio è diventato bitorzoluto e questi piccoli grumi di gas più densi erano i semi per l'eventuale formazione di stelle, galassie e qualsiasi altra cosa nell'universo.

Sebbene non ci fosse nulla da vedere, i secoli bui furono una fase importante nell'evoluzione dell'universo.

Alla ricerca della prima luce

Il Medioevo finì quando la gravità formò le prime stelle e galassie che alla fine iniziarono a emettere la prima luce. Sebbene gli astronomi non sappiano quando è avvenuta la prima luce, l'ipotesi migliore è che lo sia stata diverse centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Gli astronomi inoltre non sanno se le stelle o le galassie si siano formate per prime.

Teorie attuali basato su come la gravità forma la struttura in un universo dominato dalla materia oscura suggerisce che piccoli oggetti, come stelle e ammassi stellari, probabilmente si sono formati prima e poi sono cresciuti in galassie nane e poi in galassie più grandi come la Via Lattea. Queste prime stelle dell'universo erano oggetti estremi rispetto alle stelle di oggi. Li avevamo un milione di volte più luminoso ma hanno vissuto vite molto brevi. Bruciavano caldi e luminosi e quando morirono, se ne andarono buchi neri fino a cento volte la massa del Sole, che potrebbe avere agito come i semi per la formazione delle galassie.

Gli astronomi adorerebbero studiare questa era affascinante e importante dell'universo, ma rilevare la prima luce è incredibilmente impegnativo. Rispetto alle galassie massicce e luminose di oggi, i primi oggetti erano molto piccoli e, a causa della costante espansione dell'universo, si trovano ora a decine di miliardi di anni luce dalla Terra. Inoltre, le prime stelle erano circondate dal gas residuo della loro formazione e questo gas agiva come nebbia che assorbiva la maggior parte della luce. Ci sono voluti diverse centinaia di milioni di anni per radiazioni per spazzare via la nebbia. Questa prima luce è molto debole quando arriva sulla Terra.

Ma questa non è l'unica sfida.

Man mano che l'universo si espande, allunga continuamente la lunghezza d'onda della luce che lo attraversa. Questo è chiamato redshift perché sposta la luce di lunghezze d'onda più corte, come la luce blu o bianca, a lunghezze d'onda più lunghe come la luce rossa o infrarossa. Sebbene non sia un'analogia perfetta, è simile a come quando un'auto ti passa davanti, il tono di qualsiasi suono che sta emettendo diminuisce notevolmente.

Quando la luce emessa da una prima stella o galassia 13 miliardi di anni fa raggiunge qualsiasi telescopio sulla Terra, è stata allungata di un fattore 10 dall'espansione dell'universo. Arriva come luce infrarossa, il che significa che ha una lunghezza d'onda più lunga di quella della luce rossa. Per vedere la prima luce, devi cercare la luce infrarossa.

Telescopio come macchina del tempo

Entra nel telescopio spaziale James Webb.

I telescopi sono come macchine del tempo. Se un oggetto si trova a 10,000 anni luce di distanza, significa che la luce impiega 10,000 anni per raggiungere la Terra. Quindi più lontano nello spazio gli astronomi guardano, più... più indietro nel tempo stiamo cercando.

Ingegneri ottimizzato James Webb per rilevare specificamente la debole luce infrarossa delle prime stelle o galassie. Rispetto al telescopio spaziale Hubble, James Webb ha un campo visivo 15 volte più ampio sulla sua fotocamera, raccoglie sei volte più luce e i suoi sensori sono sintonizzati per essere più sensibili alla luce infrarossa.

La strategia sarà quella di fissa profondamente un pezzo di cielo per molto tempo, raccogliendo quanta più luce e informazioni possibile dalle galassie più lontane e antiche. Con questi dati, potrebbe essere possibile rispondere quando e come finì il Medioevo, ma ci sono molte altre importanti scoperte da fare. Ad esempio, anche svelare questa storia potrebbe aiutare a spiegare la natura della materia oscura, la misteriosa forma della materia che compone circa 80 per cento della massa dell'universo.

James Webb è il missione tecnicamente più difficile La NASA ha mai tentato. Ma penso che le domande scientifiche a cui potrebbe aiutare a rispondere varranno ogni grammo di sforzo. Io e altri astronomi stiamo aspettando con entusiasmo che i dati inizino a tornare nel 2022.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: Hubble Deep Field / NASA

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