Det mest kraftfulla rymdteleskopet som någonsin byggts kommer att blicka tillbaka i tiden till universums mörka medelålder

Vissa har kallat NASA:s rymdteleskop James Webb för "teleskop som åt astronomi.” Det är det mest kraftfulla rymdteleskopet någonsin byggt och ett komplext stycke mekanisk origami som har tänjt på gränserna för mänsklig ingenjörskonst. Den 18 december 2021, efter år av förseningar och miljarder dollar i kostnadsöverskridanden, är teleskopet planerad att starta i omloppsbana och inleda nästa era av astronomi.

jag är en astronom med en specialitet i observationskosmologi – jag har studerat avlägsna galaxer i 30 år. Några av de största obesvarade frågorna om universum relaterar till dess första år strax efter Big Bang. När bildades de första stjärnorna och galaxerna? Vilket kom först och varför? Jag är otroligt glad över att astronomer snart kan avslöja historien om hur galaxer startade eftersom James Webb byggdes specifikt för att svara på just dessa frågor.

Universums "mörka tider".

Utmärkta bevis visar att universum började med en händelse som kallas Big Bang 13.8 miljarder år sedan, vilket lämnade den i ett ultravarmt, ultratätt tillstånd. Universum började omedelbart expandera efter Big Bang och svalnade när det gjorde det. En sekund efter Big Bang var universum hundra biljoner miles tvärs över med en medeltemperatur på otroliga 18 miljarder grader Fahrenheit (10 miljarder grader Celsius). Cirka 400,000 10 år efter Big Bang var universum XNUMX miljoner ljusår tvärs över och temperaturen hade svalnat till 5,500 3,000 grader Fahrenheit (XNUMX XNUMX grader Celsius). Om någon hade varit där för att se det vid det här laget, skulle universum ha glödt matt rött som en gigantisk värmelampa.

Under hela denna tid fylldes rymden med en slät soppa av högenergipartiklar, strålning, väte och helium. Det fanns ingen struktur. När det expanderande universum blev större och kallare tunnades soppan ut och allt bleknade till svart. Detta var början på vad astronomer kallar Mörka tider av universum.

Den mörka medeltidens soppa var inte helt enhetlig och på grund av tyngdkraften började små områden med gas att klumpa ihop sig och bli tätare. Det släta universum blev klumpigt och dessa små klumpar av tätare gas var frön för den slutliga bildandet av stjärnor, galaxer och allt annat i universum.

Även om det inte fanns något att se, var den mörka medeltiden en viktig fas i universums utveckling.

Letar efter det första ljuset

Den mörka medeltiden slutade när gravitationen bildade de första stjärnorna och galaxerna som så småningom började avge det första ljuset. Även om astronomer inte vet när det första ljuset inträffade, är den bästa gissningen att det var det flera hundra miljoner år efter Big Bang. Astronomer vet inte heller om stjärnor eller galaxer bildades först.

Aktuella teorier baserat på hur gravitationen bildar struktur i ett universum som domineras av mörk materia antyder att små objekt – som stjärnor och stjärnhopar – troligen bildades först och sedan växte till dvärggalaxer och sedan större galaxer som Vintergatan. Dessa första stjärnor i universum var extrema objekt jämfört med dagens stjärnor. De var en miljon gånger ljusare men de levde väldigt korta liv. De brann varmt och ljust och när de dog lämnade de bakom sig svarta hål upp till hundra gånger solens massa, vilket kan ha fungerade som frön för galaxbildning.

Astronomer skulle älska att studera denna fascinerande och viktiga era av universum, men att upptäcka det första ljuset är otroligt utmanande. Jämfört med dagens massiva, ljusa galaxer var de första objekten mycket små och på grund av universums ständiga expansion är de nu tiotals miljarder ljusår bort från jorden. Dessutom var de tidigaste stjärnorna omgivna av gas som blev över från deras bildande och denna gas fungerade som dimma som absorberade det mesta av ljuset. Det tog flera hundra miljoner år för strålning för att spränga bort dimman. Detta tidiga ljus är mycket svagt när det kommer till jorden.

Men detta är inte den enda utmaningen.

När universum expanderar sträcker det kontinuerligt våglängden av ljus som färdas genom det. Det här kallas rödförskjutning eftersom det skiftar ljus med kortare våglängder – som blått eller vitt ljus – till längre våglängder som rött eller infrarött ljus. Även om det inte är en perfekt analogi, liknar det hur när en bil kör förbi dig, sjunker tonhöjden för alla ljud som den gör märkbart.

När ljus som emitterats av en tidig stjärna eller galax för 13 miljarder år sedan når något teleskop på jorden, har det sträckts ut med en faktor 10 av universums expansion. Det kommer som infrarött ljus, vilket betyder att det har en våglängd längre än rött ljus. För att se första ljuset måste du leta efter infrarött ljus.

Teleskop som en tidsmaskin

Gå in i rymdteleskopet James Webb.

Teleskop är som tidsmaskiner. Om ett föremål är 10,000 10,000 ljusår bort betyder det att ljuset tar XNUMX XNUMX år att nå jorden. Så ju längre ut i rymden astronomer tittar, desto längre tillbaka i tiden letar vi.

Ingenjörer optimerade James Webb för att specifikt detektera det svaga infraröda ljuset från de tidigaste stjärnorna eller galaxerna. Jämfört med rymdteleskopet Hubble, James Webb har ett 15 gånger bredare synfält på sin kamera, samlar in sex gånger mer ljus, och dess sensorer är inställda för att vara mest känsliga för infrarött ljus.

Strategin blir att stirrar djupt på ett fläck av himlen under lång tid, samla in så mycket ljus och information från de mest avlägsna och äldsta galaxerna som möjligt. Med dessa data kan det vara möjligt att svara på när och hur den mörka medeltiden slutade, men det finns många andra viktiga upptäckter att göra. Till exempel, att reda ut den här historien kan också hjälpa till att förklara mörk materias natur, den mystiska formen av materia som utgör om 80 procent av universums massa.

James Webb är den det tekniskt svåraste uppdraget NASA har någonsin försökt. Men jag tror att de vetenskapliga frågor som det kan hjälpa att besvara kommer att vara värda varje uns av ansträngning. Jag och andra astronomer väntar med spänning på att uppgifterna ska börja komma tillbaka någon gång 2022.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Bildkredit: Hubble Deep Field / NASA

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