Det mest kraftfulde rumteleskop, der nogensinde er bygget, vil se tilbage i tiden til universets mørke middelalder

Nogle har kaldt NASAs James Webb-rumteleskop for "teleskopet, der spiste astronomi." Det er det mest kraftfulde rumteleskop, der nogensinde er bygget, og et komplekst stykke mekanisk origami, der har rykket grænserne for menneskelig teknik. Den 18. december 2021, efter år med forsinkelser og milliarder af dollars i omkostningsoverskridelser, teleskopet er planlagt til at starte i kredsløb og indlede den næste æra af astronomi.

Jeg er en astronom med speciale i observationel kosmologi – jeg har studeret fjerne galakser i 30 år. Nogle af de største ubesvarede spørgsmål om universet vedrører dets tidlige år lige efter Big Bang. Hvornår blev de første stjerner og galakser dannet? Som kom først, og hvorfor? Jeg er utrolig spændt på, at astronomer snart kan afsløre historien om, hvordan galakser startede, fordi James Webb blev bygget specifikt til at besvare netop disse spørgsmål.

Universets 'mørke middelalder'

Fremragende beviser viser, at universet startede med en begivenhed kaldet Big Bang for 13,8 milliarder år siden, som efterlod det i en ultra-varm, ultra-tæt tilstand. Universet begyndte straks at udvide sig efter Big Bang, køling, mens den gjorde det. Et sekund efter Big Bang, universet var hundrede billioner miles på tværs med en gennemsnitstemperatur på utrolige 18 milliarder F (10 milliarder C). Omkring 400, 000 år efter Big Bang, universet var 10 millioner lysår på tværs, og temperaturen var afkølet til 5, 500 F (3, 000 C). Hvis nogen havde været der for at se det på dette tidspunkt, universet ville have været lysende mat rødt som en kæmpe varmelampe.

I hele denne tid, rummet var fyldt med en glat suppe af højenergipartikler, stråling, brint og helium. Der var ingen struktur. Efterhånden som det ekspanderende univers blev større og koldere, suppen tyndede ud og alt blev sort. Dette var starten på det, astronomer kalder universets mørke middelalder.

Suppen fra den mørke middelalder var ikke helt ensartet og på grund af tyngdekraften, små områder af gas begyndte at klumpe sig sammen og blive mere tætte. Det glatte univers blev klumpet, og disse små klumper af tættere gas var frø til den endelige dannelse af stjerner, galakser og alt andet i universet.

Selvom der ikke var noget at se, den mørke middelalder var en vigtig fase i universets udvikling.

Leder efter det første lys

Den mørke middelalder sluttede, da tyngdekraften dannede de første stjerner og galakser, der til sidst begyndte at udsende det første lys. Selvom astronomer ikke ved, hvornår det første lys skete, det bedste gæt er, at det var flere hundrede millioner år efter Big Bang. Astronomer ved heller ikke, om stjerner eller galakser blev dannet først.

Nuværende teorier baseret på, hvordan tyngdekraften danner struktur i et univers domineret af mørkt stof, antyder, at små objekter - som stjerner og stjernehobe - sandsynligvis først blev dannet og så senere voksede til dværggalakser og derefter større galakser som Mælkevejen. Disse første stjerner i universet var ekstreme objekter sammenlignet med stjerner i dag. De var en million gange lysere, men de levede meget korte liv. De brændte varmt og lyst, og da de døde, de efterlod sorte huller op til hundrede gange Solens masse, som kunne have fungeret som frø til galaksedannelse.

Astronomer ville elske at studere denne fascinerende og vigtige æra af universet, men at opdage det første lys er utroligt udfordrende. Sammenlignet med massiv, lyse galakser i dag, de første objekter var meget små og på grund af universets konstante udvidelse, de er nu titusinder af lysår væk fra Jorden. Også, de tidligste stjerner var omgivet af gas tilbage fra deres dannelse, og denne gas virkede som tåge, der absorberede det meste af lyset. Det tog flere hundrede millioner år for stråling at sprænge tågen væk. Dette tidlige lys er meget svagt, når det kommer til Jorden.

Men dette er ikke den eneste udfordring.

Når universet udvider sig, den strækker kontinuerligt bølgelængden af ​​lys, der rejser gennem den. Dette kaldes rødforskydning, fordi det skifter lys med kortere bølgelængder - som blåt eller hvidt lys - til længere bølgelængder som rødt eller infrarødt lys. Selvom det ikke er en perfekt analogi, det ligner, hvordan når en bil kører forbi dig, tonehøjden af ​​enhver lyd, den laver, falder mærkbart.

På det tidspunkt, hvor lys udsendt af en tidlig stjerne eller galakse for 13 milliarder år siden når ethvert teleskop på Jorden, det er blevet strakt med en faktor 10 ved universets udvidelse. Det kommer som infrarødt lys, hvilket betyder, at den har en længere bølgelængde end rødt lys. For at se det første lys, du skal lede efter infrarødt lys.

Teleskop som tidsmaskine

Gå ind i James Webb-rumteleskopet.

Teleskoper er som tidsmaskiner. Hvis et objekt er 10, 000 lysår væk, det betyder at lyset tager 10, 000 år til at nå Jorden. Så jo længere ude i rummet astronomer kigger, jo længere tilbage i tiden vi kigger.

Ingeniører optimerede James Webb til specifikt at detektere det svage infrarøde lys fra de tidligste stjerner eller galakser. Sammenlignet med Hubble-rumteleskopet, James Webb har et 15 gange bredere synsfelt på sit kamera, opsamler seks gange mere lys, og dens sensorer er indstillet til at være mest følsomme over for infrarødt lys.

Strategien vil være at stirre dybt på én del af himlen i lang tid, at indsamle så meget lys og information fra de fjerneste og ældste galakser som muligt. Med disse data, det kan være muligt at svare på, hvornår og hvordan den mørke middelalder sluttede, men der er mange andre vigtige opdagelser at gøre. For eksempel, at optrevle denne historie kan også hjælpe med at forklare karakteren af ​​mørkt stof, den mystiske form for stof, der udgør omkring 80 % af universets masse.

James Webb er den mest teknisk vanskelige mission, NASA nogensinde har forsøgt. Men jeg tror, ​​at de videnskabelige spørgsmål, det kan hjælpe med at besvare, vil være hver eneste unse indsats værd. Jeg og andre astronomer venter spændt på, at dataene begynder at komme tilbage engang i 2022.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.