Найпотужніший коли-небудь побудований космічний телескоп оглянеться в часі до темних віків Всесвіту

Дехто назвав космічний телескоп Джеймса Вебба НАСА «телескоп, який з'їв астрономію.” Це найпотужніший космічний телескоп коли-небудь створеного та складного механічного орігамі, який розширив межі людської інженерії. 18 грудня 2021 року, після років затримок і перевитрати мільярдів доларів, телескоп планується запуск на орбіту і розпочне наступну еру астрономії.

Я астроном зі спеціальністю спостережна космологія — я вивчаю далекі галактики 30 років. Деякі з найбільших запитань про Всесвіт без відповіді стосуються його перших років відразу після Великого вибуху. Коли утворилися перші зірки та галактики? Що було першим і чому? Я неймовірно схвильований, що астрономи можуть незабаром відкрити історію про те, як почалися галактики, тому що Джеймс Вебб був створений спеціально для відповіді на ці запитання.

«Темні віки» Всесвіту

Чудові докази показують, що Всесвіт почався з події, яка називається великий вибух 13.8 мільярдів років тому, що залишило його в надгарячому, надщільному стані. Всесвіт негайно почав розширюватися після Великого вибуху, охолоджуючись при цьому. Через одну секунду після Великого вибуху Всесвіт мав сто трильйонів миль у поперечнику з середньою температурою неймовірних 18 мільярдів градусів за Фаренгейтом (10 мільярдів градусів Цельсія). Приблизно через 400,000 10 років після Великого вибуху Всесвіт мав XNUMX мільйонів світлових років у поперечнику. температура охолола до 5,500 градусів за Фаренгейтом (3,000 градусів Цельсія). Якби хтось був там, щоб побачити це в цей момент, Всесвіт світився б тьмяно-червоним кольором, як гігантська теплова лампа.

Протягом цього часу космос був наповнений гладким супом з частинок високої енергії, радіації, водню та гелію. Не було структури. Коли всесвіт, що розширювався, ставав більшим і холоднішим, суп рідшав і все тьмяніло до чорного кольору. Це був початок того, що астрономи називають Темні століття Всесвіту.

Суп темних віків був не ідеально рівномірний і завдяки гравітації крихітні ділянки газу почали злипатися разом і ставати більш щільними. Гладкий Всесвіт став грудкуватою, і ці маленькі згустки більш щільного газу були насінням для остаточного формування зірок, галактик і всього іншого у Всесвіті.

Незважаючи на те, що дивитися було на що, Темні віки були важливою фазою в еволюції Всесвіту.

У пошуках Першого світла

Темні віки закінчилися, коли гравітація сформувала перші зірки та галактики, які згодом почали випромінювати перше світло. Хоча астрономи не знають, коли відбулося перше світло, найкращим припущенням є те, що це було кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Астрономи також не знають, зірки чи галактики утворилися першими.

Сучасні теорії ґрунтуючись на тому, як гравітація формує структуру у Всесвіті, де домінує темна матерія, можна припустити, що малі об’єкти, як-от зірки та зоряні скупчення, ймовірно, спочатку утворилися, а потім згодом перетворилися на карликові галактики, а потім у більші галактики, такі як Чумацький Шлях. Ці перші зірки у Всесвіті були екстремальними об’єктами порівняно з сучасними зірками. Вони були в мільйон разів яскравіше але прожили вони дуже коротко. Вони горіли гарячим і яскравим, а коли помирали, то залишали позаду чорних дір до сотні разів більше маси Сонця, що може мати служили зародками для формування галактик.

Астрономи хотіли б вивчити цю захоплюючу та важливу еру Всесвіту, але виявити перше світло неймовірно складно. Порівняно з сучасними масивними, яскравими галактиками, перші об’єкти були дуже маленькими, і через постійне розширення Всесвіту тепер вони віддалені від Землі на десятки мільярдів світлових років. Крім того, найдавніші зірки були оточені газом, що залишився від їх утворення, і цей газ діяв як туман, який поглинав більшу частину світла. Для цього знадобилося кілька сотень мільйонів років радіація, щоб розвіяти туман. Це раннє світло дуже слабке до того часу, коли воно досягає Землі.

Але це не єдиний виклик.

Коли Всесвіт розширюється, він постійно розтягує довжину хвилі світла, що проходить через нього. Це називається червоне зміщення тому що він зміщує світло з коротшою довжиною хвилі, як-от синє або біле світло, до більшої довжини хвилі, як-от червоне або інфрачервоне світло. Хоча це не ідеальна аналогія, це схоже на те, як коли автомобіль проїжджає повз вас, висота будь-яких звуків, які вона видає, помітно падає.

До того часу, коли світло, випромінюване ранньою зіркою чи галактикою 13 мільярдів років тому, досягне будь-якого телескопа на Землі, воно розтягнеться в 10 разів через розширення Всесвіту. Він надходить як інфрачервоне світло, тобто має довшу хвилю, ніж червоне світло. Щоб побачити перше світло, потрібно шукати інфрачервоне світло.

Телескоп як машина часу

Введіть космічний телескоп Джеймса Вебба.

Телескопи схожі на машини часу. Якщо об’єкт знаходиться на відстані 10,000 10,000 світлових років, це означає, що світлу потрібно XNUMX XNUMX років, щоб досягти Землі. Отже, чим далі в космос дивляться астрономи, тим далі в часі ми шукаємо.

Інженери оптимізований Джеймс Вебб для спеціального виявлення слабкого інфрачервоного світла найдавніших зірок або галактик. У порівнянні з космічним телескопом Хаббл, Джеймс Вебб має в 15 разів ширше поле зору камери, збирає в шість разів більше світла, а його датчики налаштовані на найбільшу чутливість до інфрачервоного світла.

Стратегія полягатиме в тому, щоб довго дивитися на одну ділянку неба, збираючи якомога більше світла та інформації з найвіддаленіших і найдавніших галактик. Маючи ці дані, можливо, можна буде відповісти, коли і як закінчилося Темне Середньовіччя, але потрібно зробити багато інших важливих відкриттів. Наприклад, розплутування цієї історії також може допомогти пояснити природу темної матерії, таємнича форма матерії, яка становить приблизно 80 відсотків маси Всесвіту.

Джеймс Вебб - це технічно найскладніша місія НАСА коли-небудь намагалося. Але я вважаю, що наукові питання, які він може допомогти відповісти, будуть варті всіх зусиль. Я та інші астрономи з нетерпінням чекаємо, коли дані почнуть надходити десь у 2022 році.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Авторство зображення: Hubble Deep Field / NASA

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