De krachtigste ruimtetelescoop die ooit is gebouwd, zal terugkijken in de tijd naar de donkere middeleeuwen van het heelal

Sommigen hebben NASA's James Webb Space Telescope de "telescoop die astronomie at.” Het is de krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd en een complex stuk mechanische origami dat de grenzen van de menselijke techniek heeft verlegd. Op 18 december 2021, na jaren van vertraging en miljarden dollars aan kostenoverschrijdingen, wordt de telescoop gepland om in een baan om de aarde te lanceren en luiden het volgende tijdperk van de astronomie in.

Ik ben een astronoom met een specialiteit in observationele kosmologie - ik bestudeer al 30 jaar verre sterrenstelsels. Enkele van de grootste onbeantwoorde vragen over het universum hebben betrekking op de vroege jaren net na de oerknal. Wanneer ontstonden de eerste sterren en sterrenstelsels? Wat was er eerst, en waarom? Ik ben ongelooflijk opgewonden dat astronomen binnenkort het verhaal kunnen ontdekken van hoe sterrenstelsels zijn ontstaan, omdat James Webb speciaal is gebouwd om deze vragen te beantwoorden.

De 'donkere middeleeuwen' van het heelal

Uitstekend bewijs toont aan dat het universum begon met een gebeurtenis genaamd de Big Bang 13.8 miljard jaar geleden, waardoor het in een ultrahete, ultradichte staat achterbleef. Het heelal begon onmiddellijk na de oerknal uit te dijen en daarbij af te koelen. Een seconde na de oerknal was het universum honderd biljoen mijl breed met een gemiddelde temperatuur van maar liefst 18 miljard graden Fahrenheit (10 miljard graden Celsius). Ongeveer 400,000 jaar na de oerknal was het heelal 10 miljoen lichtjaar in doorsnee en de temperatuur was afgekoeld tot 5,500 graden Fahrenheit (3,000 graden Celsius). Als er iemand was geweest om het op dit punt te zien, zou het universum dofrood gloeien als een gigantische warmtelamp.

Gedurende deze tijd was de ruimte gevuld met een gladde soep van hoogenergetische deeltjes, straling, waterstof en helium. Er zat geen structuur in. Naarmate het uitdijende heelal groter en kouder werd, werd de soep dunner en vervaagde alles tot zwart. Dit was het begin van wat astronomen de Middeleeuwen van het universum.

De soep van de Middeleeuwen was niet perfect uniform en door de zwaartekracht begonnen kleine gasdeeltjes samen te klonteren en dichter te worden. Het gladde heelal werd klonterig en deze kleine klonten van dichter gas waren zaden voor de uiteindelijke vorming van sterren, sterrenstelsels en al het andere in het universum.

Hoewel er niets te zien was, vormden de Donkere Middeleeuwen een belangrijke fase in de evolutie van het universum.

Op zoek naar het eerste licht

De donkere Middeleeuwen eindigden toen de zwaartekracht de eerste sterren en sterrenstelsels vormde die uiteindelijk het eerste licht begonnen uit te stralen. Hoewel astronomen niet weten wanneer het eerste licht optrad, is de beste gok dat dat zo was enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal. Astronomen weten ook niet of eerst sterren of sterrenstelsels zijn ontstaan.

Huidige theorieën gebaseerd op hoe zwaartekracht structuur vormt in een universum dat wordt gedomineerd door donkere materie, suggereert dat kleine objecten - zoals sterren en sterrenhopen - waarschijnlijk eerst zijn gevormd en later zijn uitgegroeid tot dwergstelsels en vervolgens tot grotere sterrenstelsels zoals de Melkweg. Deze eerste sterren in het heelal waren extreme objecten in vergelijking met de sterren van nu. Ze waren een miljoen keer helderder maar ze leefden een heel kort leven. Ze brandden heet en helder en toen ze stierven, lieten ze achter zwarte gaten tot honderd keer de massa van de zon, wat zou kunnen hebben fungeerden als de zaden voor de vorming van sterrenstelsels.

Astronomen zouden dit fascinerende en belangrijke tijdperk van het universum dolgraag willen bestuderen, maar het detecteren van het eerste licht is ongelooflijk uitdagend. Vergeleken met de massieve, heldere sterrenstelsels van vandaag waren de eerste objecten erg klein en door de voortdurende uitdijing van het universum zijn ze nu tientallen miljarden lichtjaren verwijderd van de aarde. Ook waren de vroegste sterren omringd door gas dat overbleef na hun vorming en dit gas gedroeg zich als mist die het meeste licht absorbeerde. Het duurde enkele honderden miljoenen jaren voor straling om de mist weg te blazen. Dit vroege licht is erg zwak tegen de tijd dat het de aarde bereikt.

Maar dit is niet de enige uitdaging.

Naarmate het universum uitdijt, rekt het continu de golflengte van het licht dat er doorheen reist uit. Dit heet roodverschuiving omdat het licht van kortere golflengten, zoals blauw of wit licht, verschuift naar langere golflengten zoals rood of infrarood licht. Hoewel het geen perfecte analogie is, is het vergelijkbaar met hoe wanneer een auto langs je rijdt, de toonhoogte van alle geluiden die hij maakt merkbaar daalt.

Tegen de tijd dat het licht dat 13 miljard jaar geleden door een vroege ster of melkwegstelsel werd uitgestraald, een telescoop op aarde bereikt, is het door de uitdijing van het universum met een factor 10 uitgerekt. Het komt aan als infrarood licht, wat betekent dat het een golflengte heeft die langer is dan die van rood licht. Om het eerste licht te zien, moet je op zoek zijn naar infrarood licht.

Telescoop als tijdmachine

Betreed de James Webb-ruimtetelescoop.

Telescopen zijn als tijdmachines. Als een object 10,000 lichtjaar verwijderd is, betekent dit dat het licht er 10,000 jaar over doet om de aarde te bereiken. Dus hoe verder astronomen in de ruimte kijken, hoe verder terug in de tijd zoeken we.

Ingenieurs geoptimaliseerde James Webb voor het specifiek detecteren van het zwakke infraroodlicht van de vroegste sterren of sterrenstelsels. Vergeleken met de Hubble-ruimtetelescoop, James Webb heeft een 15 keer breder gezichtsveld op zijn camera, verzamelt zes keer meer licht en de sensoren zijn afgestemd om het meest gevoelig te zijn voor infrarood licht.

De strategie zal zijn om staar lange tijd diep naar een stukje lucht, waarbij zoveel mogelijk licht en informatie wordt verzameld van de meest verre en oudste sterrenstelsels. Met deze gegevens is het misschien mogelijk om te beantwoorden wanneer en hoe de donkere Middeleeuwen eindigden, maar er zijn nog veel andere belangrijke ontdekkingen te doen. Dit verhaal ontrafelen mag bijvoorbeeld ook helpen de aard van donkere materie te verklaren, de mysterieuze vorm van materie waaruit ongeveer bestaat 80 procent van de massa van het heelal.

James Webb is de technisch meest moeilijke missie NASA heeft het ooit geprobeerd. Maar ik denk dat de wetenschappelijke vragen die het kan helpen beantwoorden, alle moeite waard zullen zijn. Ik en andere astronomen wachten opgewonden tot de gegevens ergens in 2022 beginnen terug te komen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Afbeelding tegoed: Hubble Deep Field / NASA

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