Najpotężniejszy teleskop kosmiczny, jaki kiedykolwiek zbudowano, przeniesie się w czasie do mrocznych wieków Wszechświata

Niektórzy nazywają należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba „teleskop, który pożarł astronomię.” To jest najpotężniejszy teleskop kosmiczny kiedykolwiek zbudowano i złożony element mechanicznego origami, który przesunął granice ludzkiej inżynierii. 18 grudnia 2021 r., po latach opóźnień i wielomiliardowych przekroczeniach kosztów, teleskop zostanie zaplanowano wystrzelenie na orbitę i zapoczątkowujemy następną erę astronomii.

Jestem astronom ze specjalizacją w kosmologii obserwacyjnej – badam odległe galaktyki od 30 lat. Niektóre z największych pytań na temat wszechświata, na które nie ma odpowiedzi, dotyczą jego wczesnych lat tuż po Wielkim Wybuchu. Kiedy powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki? Co było pierwsze i dlaczego? Jestem niesamowicie podekscytowany faktem, że astronomowie mogą wkrótce odkryć historię powstania galaktyk, ponieważ James Webb został zbudowany specjalnie po to, aby odpowiedzieć na te właśnie pytania.

„Ciemne wieki” Wszechświata

Doskonały dowód pokazuje, że wszechświat zaczął się od wydarzenia zwanego Wielki Wybuch 13.8 miliarda lat temu, co pozostawiło ją w stanie ultragorącym i bardzo gęstym. Wszechświat natychmiast zaczął się rozszerzać po Wielkim Wybuchu, jednocześnie ochładzając się. Sekundę po Wielkim Wybuchu wszechświat miał średnicę stu bilionów mil, a jego średnia temperatura wynosiła niewiarygodne 18 miliardów stopni Fahrenheita (10 miliardów stopni Celsjusza). Około 400,000 10 lat po Wielkim Wybuchu wszechświat miał średnicę XNUMX milionów lat świetlnych, a temperatura spadła do 5,500 stopni Fahrenheita (3,000 stopni Celsjusza). Gdyby ktokolwiek był tam i mógł to zobaczyć, wszechświat świeciłby matową czerwienią niczym gigantyczna lampa grzewcza.

Przez cały ten czas przestrzeń wypełniona była gładką zupą cząstek o wysokiej energii, promieniowania, wodoru i helu. Nie było żadnej struktury. Gdy rozszerzający się wszechświat stał się większy i zimniejszy, zupa rozrzedziła się i wszystko pociemniało. To był początek tego, co astronomowie nazywają Średniowiecze Wszechświata.

Zupa średniowiecza była nie idealnie jednolite pod wpływem grawitacji maleńkie obszary gazu zaczęły się zlepiać i stawały się coraz gęstsze. Gładki Wszechświat stał się nierówny, a te małe skupiska gęstszego gazu stały się zarodkami ostatecznego powstania gwiazd, galaktyk i wszystkiego innego we wszechświecie.

Chociaż nie było nic do zobaczenia, Ciemne Wieki były ważną fazą ewolucji wszechświata.

W poszukiwaniu pierwszego światła

Ciemne Wieki zakończyły się, gdy grawitacja uformowała pierwsze gwiazdy i galaktyki, które ostatecznie zaczęły emitować pierwsze światło. Chociaż astronomowie nie wiedzą, kiedy pojawiło się pierwsze światło, przypuszcza się, że tak właśnie było kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Astronomowie nie wiedzą również, czy najpierw powstały gwiazdy, czy galaktyki.

Aktualne teorie w oparciu o sposób, w jaki grawitacja tworzy strukturę we wszechświecie zdominowanym przez ciemną materię, sugeruje, że małe obiekty – takie jak gwiazdy i gromady gwiazd – prawdopodobnie powstały najpierw, a następnie przekształciły się w galaktyki karłowate, a następnie w większe galaktyki, takie jak Droga Mleczna. Te pierwsze gwiazdy we wszechświecie były obiektami ekstremalnymi w porównaniu do współczesnych gwiazd. Byli milion razy jaśniejszy ale żyli bardzo krótko. Płonęły gorąco i jasno, a kiedy umarły, pozostawiły po sobie ślad czarne dziury do stu mas Słońca, co mogłoby mieć działały jako nasiona formowania się galaktyk.

Astronomowie chcieliby badać tę fascynującą i ważną erę Wszechświata, ale wykrycie pierwszego światła jest niezwykle trudne. W porównaniu z dzisiejszymi masywnymi, jasnymi galaktykami, pierwsze obiekty były bardzo małe i ze względu na ciągłą ekspansję Wszechświata znajdują się obecnie dziesiątki miliardów lat świetlnych od Ziemi. Ponadto najwcześniejsze gwiazdy były otoczone gazem pozostałym po ich powstaniu i gaz ten zachowywał się jak mgła, która pochłaniała większość światła. Zajęło to kilkaset milionów lat promieniowanie, które rozwiewa mgłę. Zanim dociera do Ziemi, to wczesne światło jest już bardzo słabe.

Ale to nie jedyne wyzwanie.

W miarę rozszerzania się Wszechświat stale zwiększa długość fali przechodzącego przez niego światła. To się nazywa przesunięcie ku czerwieni ponieważ przesuwa światło o krótszych długościach fal – np. światło niebieskie lub białe – na dłuższe fale, np. światło czerwone lub podczerwone. Choć nie jest to doskonała analogia, przypomina to sytuację, gdy obok nas przejeżdża samochód, a wysokość wydawanych przez niego dźwięków zauważalnie spada.

Zanim światło wyemitowane przez wczesną gwiazdę lub galaktykę 13 miliardów lat temu dotrze do dowolnego teleskopu na Ziemi, zostanie rozciągnięte 10-krotnie w wyniku ekspansji Wszechświata. Przychodzi w postaci światła podczerwonego, co oznacza, że ​​ma długość fali dłuższą niż światło czerwone. Aby zobaczyć pierwsze światło, trzeba szukać światła podczerwonego.

Teleskop jako wehikuł czasu

Wejdź do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Teleskopy są jak wehikuły czasu. Jeśli obiekt znajduje się w odległości 10,000 10,000 lat świetlnych, oznacza to, że światło potrzebuje XNUMX XNUMX lat, aby dotrzeć do Ziemi. Zatem im dalej w przestrzeń kosmiczną spoglądają astronomowie, tym szukamy dalej w czasie.

Inżynierowie zoptymalizowany Jamesa Webba do specjalnego wykrywania słabego światła podczerwonego najwcześniejszych gwiazd i galaktyk. W porównaniu z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a James Webb ma w swoim aparacie 15 razy szersze pole widzenia, zbiera sześciokrotnie więcej światła, a jego czujniki są dostrojone tak, aby były najbardziej wrażliwe na światło podczerwone.

Strategia będzie taka wpatrywać się głęboko w jeden skrawek nieba przez długi czas, zbierając jak najwięcej światła i informacji z najodleglejszych i najstarszych galaktyk. Dzięki tym danym być może uda się odpowiedzieć, kiedy i jak zakończyły się Ciemne Wieki, ale pozostaje jeszcze wiele innych ważnych odkryć do zrobienia. Na przykład rozwikłanie tej historii może również pomóc wyjaśnić naturę ciemnej materii, tajemnicza forma materii, z której składa się 80 procent masy wszechświata.

James Webb jest najtrudniejsza technicznie misja NASA kiedykolwiek próbowała. Myślę jednak, że pytania naukowe, na które odpowiedź może pomóc, będą warte każdego wysiłku. Ja i inni astronomowie z niecierpliwością czekamy, aż dane zaczną pojawiać się gdzieś w 2022 roku.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Źródło obrazu: Głębokie Pole Hubble'a / NASA

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