Det kraftigste romteleskopet som noensinne er bygget, vil se tilbake i tid til universets mørke middelalder

Noen har kalt NASAs James Webb-romteleskop for "teleskop som spiste astronomi." Det er den kraftigste romteleskopet noensinne bygget og et komplekst stykke mekanisk origami som har flyttet grensene for menneskelig ingeniørkunst. 18. desember 2021, etter år med forsinkelser og milliarder av dollar i kostnadsoverskridelser, er teleskopet planlagt å starte i bane og innlede neste æra av astronomi.

jeg er en astronom med spesialitet i observasjonskosmologi – jeg har studert fjerne galakser i 30 år. Noen av de største ubesvarte spørsmålene om universet er knyttet til dets første år like etter Big Bang. Når ble de første stjernene og galaksene dannet? Hva kom først, og hvorfor? Jeg er utrolig spent på at astronomer snart kan avdekke historien om hvordan galakser startet fordi James Webb ble bygget spesielt for å svare på nettopp disse spørsmålene.

Universets 'mørke tidsalder'

Utmerkede bevis viser at universet startet med en hendelse kalt Big Bang 13.8 milliarder år siden, noe som etterlot den i en ultravarm, ultratett tilstand. Universet begynte umiddelbart å ekspandere etter Big Bang, og avkjølte etter hvert som det gjorde det. Ett sekund etter Big Bang var universet hundre billioner miles på tvers med en gjennomsnittstemperatur på utrolige 18 milliarder grader Fahrenheit (10 milliarder grader Celsius). Rundt 400,000 10 år etter Big Bang var universet XNUMX millioner lysår på tvers og temperaturen var avkjølt til 5,500 grader Fahrenheit (3,000 grader Celsius). Hvis noen hadde vært der for å se det på dette tidspunktet, ville universet ha glødet matt rødt som en gigantisk varmelampe.

Gjennom denne tiden ble rommet fylt med en jevn suppe av høyenergipartikler, stråling, hydrogen og helium. Det var ingen struktur. Etter hvert som det ekspanderende universet ble større og kaldere, tynnet suppen ut og alt bleknet til svart. Dette var starten på det astronomene kaller Mørke tider av universet.

Mørketidens suppe var ikke helt ensartet og på grunn av tyngdekraften begynte små områder med gass å klumpe seg sammen og bli tettere. Det glatte universet ble klumpete og disse små klumpene med tettere gass var frø for den eventuelle dannelsen av stjerner, galakser og alt annet i universet.

Selv om det ikke var noe å se, var den mørke middelalderen en viktig fase i universets utvikling.

Leter etter det første lyset

Den mørke middelalderen tok slutt da tyngdekraften dannet de første stjernene og galaksene som til slutt begynte å sende ut det første lyset. Selv om astronomer ikke vet når det første lyset skjedde, er det beste gjetningen at det var det flere hundre millioner år etter Big Bang. Astronomer vet heller ikke om stjerner eller galakser ble dannet først.

Aktuelle teorier basert på hvordan tyngdekraften danner struktur i et univers dominert av mørk materie antyder at små objekter – som stjerner og stjernehoper – sannsynligvis ble dannet først og så senere vokste til dverggalakser og deretter større galakser som Melkeveien. Disse første stjernene i universet var ekstreme objekter sammenlignet med stjerner i dag. De var en million ganger lysere men de levde veldig korte liv. De brant varmt og lyst og da de døde, la de igjen svarte hull opptil hundre ganger solens masse, som kan ha fungerte som frø for galaksedannelse.

Astronomer ville elske å studere denne fascinerende og viktige epoken av universet, men å oppdage første lys er utrolig utfordrende. Sammenlignet med dagens massive, lyse galakser var de første objektene veldig små, og på grunn av universets konstante utvidelse er de nå titalls milliarder lysår unna Jorden. Dessuten var de tidligste stjernene omgitt av gass som var igjen fra dannelsen, og denne gassen fungerte som tåke som absorberte det meste av lyset. Det tok flere hundre millioner år stråling for å sprenge bort tåken. Dette tidlige lyset er veldig svakt når det kommer til jorden.

Men dette er ikke den eneste utfordringen.

Når universet utvider seg, strekker det kontinuerlig bølgelengden til lyset som reiser gjennom det. Dette kalles rødforskyvning fordi det skifter lys med kortere bølgelengder – som blått eller hvitt lys – til lengre bølgelengder som rødt eller infrarødt lys. Selv om det ikke er en perfekt analogi, ligner det på hvordan når en bil kjører forbi deg, synker tonehøyden til alle lyder den lager merkbart.

Innen lys som sendes ut av en tidlig stjerne eller galakse for 13 milliarder år siden når et hvilket som helst teleskop på jorden, har det blitt strukket med en faktor på 10 ved utvidelsen av universet. Det kommer som infrarødt lys, noe som betyr at det har en bølgelengde lengre enn rødt lys. For å se det første lyset, må du lete etter infrarødt lys.

Teleskop som en tidsmaskin

Gå inn i James Webb-romteleskopet.

Teleskoper er som tidsmaskiner. Hvis et objekt er 10,000 10,000 lysår unna, betyr det at lyset bruker XNUMX XNUMX år på å nå jorden. Så jo lenger ut i verdensrommet astronomene ser, jo lenger tilbake i tid ser vi.

Ingeniører optimalisert James Webb for spesifikt å oppdage det svake infrarøde lyset til de tidligste stjernene eller galaksene. Sammenlignet med Hubble-romteleskopet, James Webb har et 15 ganger bredere synsfelt på kameraet, samler seks ganger mer lys, og sensorene er innstilt for å være mest følsomme for infrarødt lys.

Strategien vil være å stirrer dypt på en himmelflekk i lang tid, samle så mye lys og informasjon fra de mest fjerne og eldste galaksene som mulig. Med disse dataene kan det være mulig å svare på når og hvordan den mørke middelalderen endte, men det er mange andre viktige funn som må gjøres. For eksempel kan det å nøste opp denne historien også bidra til å forklare naturen til mørk materie, den mystiske formen for materie som utgjør om 80 prosent av universets masse.

James Webb er det mest teknisk vanskelige oppdraget NASA har noen gang forsøkt. Men jeg tror de vitenskapelige spørsmålene det kan hjelpe å besvare vil være verdt hver eneste unse av innsats. Jeg og andre astronomer venter spent på at dataene skal begynne å komme tilbake en gang i 2022.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bildekreditt: Hubble Deep Field / NASA

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