Ved at se langt væk kan vi se tilbage i tiden. Denne enkle, men alligevel forbløffende kendsgerning giver astronomer mulighed for at observere snapshots af universet på forskellige tidspunkter og bruge dem til at dele den komplekse historie om kosmisk evolution. Med hvert nyt teleskop, vi bygger, kan vi se længere og tidligere ind i universets historie. James Webb-rumteleskopet (JWST) håber at kigge helt tilbage til, da de første galakser dannede sig.
Relateret indhold
- Mød efterfølgeren til Hubble, der vil peppe igennem tiden
Forestillingen om, at man ser ud svarer til at se tilbage, er relativt ung. Det stammer fra Einsteins teori om særlig relativitet, der hævder - blandt andet - at lys bevæger sig med lysets hastighed, og at intet rejser hurtigere end det. På daglig basis oplever vi næsten aldrig konsekvenserne af dette koncept, fordi lysets hastighed er så stor (300.000 km / s, eller cirka en million gange hurtigere end et jetfly), at denne "rejsetid" næppe betyder noget. Hvis vi tænder for lyset, eller nogen sender os en e-mail fra Europa, opfatter vi disse begivenheder (vi ser pæren tænde eller modtager e-mailen) som øjeblikkelig, fordi lyset kun tager en lille brøkdel af et sekund at rejse gennem en værelse eller endda omkring hele Jorden. Men på en astronomisk skala har finiteten af lysets hastighed store konsekvenser.
Solen er omkring 150 millioner km væk, hvilket betyder, at det tager ca. 8 minutter og 20 sekunder at komme fra solen. Når vi ser på solen, ser vi et billede, der er 8 minutter gammelt. Vores nærmeste nærliggende galakse, Andromeda, er omkring 2, 5 millioner lysår væk; når vi ser på Andromeda, ser vi på det, som det var for 2, 5 millioner år siden. Dette lyder måske meget på menneskelige tidsskalaer, men det er virkelig kort tid med hensyn til galakser; vores "uaktuelle" billede er sandsynligvis stadig en god repræsentation af, hvordan Andromeda ser ud i dag. Dog sikrer universets enorme vidstrækning, at der er mange tilfælde, hvor lysets rejsetid betyder noget. Hvis vi ser på en galakse en milliard lysår væk, ser vi den, som den var for en milliard år siden, nok tid til, at en galakse kan ændre sig markant.
Så hvor langt tilbage i tiden kan vi se? Svaret på dette spørgsmål bestemmes af tre forskellige faktorer. Den ene er det faktum, at universet er "kun" 13, 8 milliarder år gammelt, så vi kan ikke se tilbage i tiden til en epoke, der er mere fjern end begyndelsen af universet, kendt som Big Bang. Et andet spørgsmål - i det mindste hvis vi er optaget af astrofysiske genstande som galakser - er, at vi har brug for noget at se på. Det oprindelige univers var en skoldende suppe af elementære partikler. Det tog nogen tid for disse partikler at køle ned og koheres ind i atomer, stjerner og galakser. Endelig, selv når disse objekter var på plads, kræver det ekstremt kraftige teleskoper at se dem fra Jorden mange milliarder af år bagefter. Lysstyrken for fysiske kilder falder hurtigt med afstanden, og det er lige så udfordrende at forsøge at få øje på en galakse i en afstand af 1 milliard lysår som at forsøge at få øje på bilens forlygte omkring 60.000 miles væk. Det er 100 gange sværere at prøve at se den samme galakse i en afstand af 10 milliarder lysår.
Indtil videre har dette været den drivende faktor i at begrænse afstanden til de fjerneste galakser, som vi kan se. Indtil 1980'erne var alle vores teleskoper baseret på jorden, hvor jordens atmosfære og lysforurening hindrer deres ydeevne. Ikke desto mindre var vi allerede opmærksomme på galakser over 5 milliarder lysår væk. Lanceringen af Hubble-rumteleskopet i 1990 gjorde det muligt for os at slå denne afstandspost mange gange, og mens jeg skriver dette, ligger den fjerneste kendte galakse i en svimlende 13, 4 milliarder år i fortiden.
JWST vil bruge infrarødt lys til at studere hver fase i den kosmiske historie, lige fra de første lysende gløder efter Big Bang til dannelsen af stjernernes systemer, der er i stand til at understøtte livet på planeter som Jorden. (NASA) Dette bringer os til et af de vigtigste spørgsmål i moderne astronomi: hvilke egenskaber ved disse fjerne galakser kan vi faktisk måle? Mens observationer af nærliggende galakser viser deres figurer og farver i detaljer, er det eneste stykke information, som vi kan indsamle om de mest fjerne galakser, ofte deres samlede lysstyrke. Men ved at se på dem med teleskoper, der er følsomme over for lysfrekvenser ud over det synlige interval, såsom ultraviolet, radio og infrarødt, kan vi afsløre ledetråde om stjernernes bestande i galaksen såvel som om dens afstand fra os.
Ved at observere galakser på så mange forskellige frekvenser som muligt, kan vi skabe et spektrum, der viser, hvor lys galaksen er i hver lystype. Fordi universet udvides, er de elektromagnetiske bølger, der detekteres af vores teleskoper, blevet strækket undervejs, og det sker så, at mængden af strækning i spektrene er proportional med afstanden til galaksen fra os. Dette forhold, kaldet Hubbles lov, giver os mulighed for at måle, hvor langt disse galakser er væk. Spektra kan også afsløre andre egenskaber, såsom den samlede mængde af masse i stjerner, den hastighed, hvormed galaksen danner stjerner, og alderen for stjernernes populationer.
For kun få måneder siden brugte et team af astronomer fra USA og Europa observationer fra Hubble-rumteleskopet og Spitzer-infrarøde rumteleskop for at opdage den fjerneste galakse, der hidtil er kendt, GN-z11. Iagttaget kun 400 millioner år efter Big Bang (”da universet kun var 3 procent af dets nuværende alder”, ifølge hovedundersøger Pascal Oesch), har det en masse på en milliard soler samlet, ca. 1/25 th af vores egen Mælkevejen.
GN-z11 danner stjerner cirka 20 gange hurtigere, med den bemærkelsesværdige hastighed på 25 nye soler om året. ”Det er forbløffende, at en så massiv galakse kun eksisterede fra 200 til 300 millioner år, efter at de allerførste stjerner begyndte at dannes. Det kræver virkelig hurtig vækst at producere stjerner i en enorm hastighed for at have dannet en galakse, der er en milliard solmasser så hurtigt, ”forklarer Garth Illingworth, en anden efterforsker i opdagelsesteamet.
Eksistensen af et så massivt objekt på så tidligt tidspunkt sammenstød med de nuværende scenarier for kosmisk samling, hvilket udgør nye udfordringer for forskere, der arbejder med modellering af galaksdannelse og evolution. ”Denne nye opdagelse viser, at Webb-teleskopet (JWST) helt sikkert vil finde mange sådanne unge galakser, der når tilbage til, da de første galakser dannede sig, ” siger Illingworth.
JWST er planlagt til lancering i 2018 og vil bane rundt om sol / jord-systemet fra en speciel placering 900.000 miles væk fra os. Ligesom Hubble, vil JWST bære flere instrumenter, herunder kraftige kameraer og spektrografer, men det vil have forbedret følsomhed: dets primære spejl vil være næsten syv gange større, og dens frekvensområde strækker sig meget længere ind i det infrarøde område. Det forskellige frekvensområde giver JWST mulighed for at registrere spektre med højere strækning, der hører til længere objekter. Det vil også have den unikke evne til at tage spektre af 100 objekter samtidigt. Med JWST forventer vi at skubbe afstandsbarrieren endnu længere til en epoke kun 150 millioner år efter Big Bang og opdage de allerførste galakser, der nogensinde er dannet. JWST vil hjælpe os med at forstå, hvordan formerne for galakser ændrer sig med tiden, og hvilke faktorer, der styrer galakseinteraktioner og fusioner.
Men JWST vil ikke bare se på galakser. Ved at kigge på universet i infrarødt lys vil vi være i stand til at se gennem de tykke støvgardiner, der omslutter nyfødte stjerner og planeter, og giver et vindue mod dannelsen af andre solsystemer. Desuden vil specialinstrumenter kaldet koronafsnit muliggøre billeddannelse af planeter omkring andre stjerner og forhåbentlig føre til opdagelsen af flere jordlignende planeter, der er i stand til at være vært for livet. For alle, der nogensinde har set på himlen og spekuleret på, hvad der er derude, det næste årti vil være en meget spændende tid.
