Ved å se langt borte, kan vi se tilbake i tid. Dette enkle, men likevel forbløffende faktum lar astronomer observere øyeblikksbilder av universet på forskjellige tidspunkter og bruke dem til å brette sammen den komplekse historien om kosmisk evolusjon. Med hvert nye teleskop vi bygger, kan vi se lenger og tidligere inn i universets historie. James Webb-romteleskopet (JWST) håper å kikke seg helt tilbake til da de første galaksene ble dannet.
Relatert innhold
- Møt etterfølgeren til Hubble som vil peke gjennom tid
Forestillingen om at det å se ut tilsvarer å se tilbake er relativt ung. Det kommer fra Einsteins teori om spesiell relativitet, som hevder - blant annet - at lys beveger seg med lysets hastighet, og at ingenting reiser raskere enn det. På hverdagstid opplever vi nesten aldri konsekvensene av dette konseptet, fordi lysets hastighet er så stor (300 000 km / s, eller omtrent en million ganger raskere enn et jetfly) at denne "reisetiden" knapt betyr noe. Hvis vi slår på lyset eller noen sender oss en e-post fra Europa, oppfatter vi disse hendelsene (vi ser at lyspæren går på, eller mottar e-posten) som øyeblikkelig, fordi det bare tar en liten brøkdel av et sekund å reise gjennom en rom eller til og med rundt hele jorden. Men i astronomisk målestokk har endeligheten av lysets hastighet store implikasjoner.
Solen ligger omtrent 150 millioner km unna, noe som betyr at det tar omtrent 8 minutter og 20 sekunder å komme oss fra solen. Når vi ser på solen, ser vi et bilde som er 8 minutter gammelt. Vår nærmeste nabogalakse, Andromeda, er omtrent 2, 5 millioner lysår unna; når vi ser på Andromeda, ser vi på det som for 2, 5 millioner år siden. Dette kan høres ut som mye på menneskelig tidsskala, men det er veldig kort tid når det gjelder galakser; vårt "foreldede" bilde er sannsynligvis fortsatt en god fremstilling av hvordan Andromeda ser ut i dag. Imidlertid sikrer universets enorme vidunder at det er mange tilfeller som lysets reisetid betyr noe for. Hvis vi ser på en galakse en milliard lysår unna, ser vi den som den var for en milliard år siden, nok tid til at en galakse kan endre seg betydelig.
Så hvor langt tilbake i tid kan vi se? Svaret på dette spørsmålet bestemmes av tre forskjellige faktorer. Det ene er det faktum at universet er "bare" 13, 8 milliarder år gammelt, så vi kan ikke se tilbake i tid til en epoke som er mer fjern enn begynnelsen av universet, kjent som Big Bang. Et annet spørsmål - i det minste hvis vi er opptatt av astrofysiske gjenstander som galakser - er at vi trenger noe å se på. Primordialuniverset var en brennende suppe av elementære partikler. Det tok litt tid før disse partiklene ble avkjølt og koherte inn i atomer, stjerner og galakser. Til slutt, selv når disse gjenstandene var på plass, krever det ekstremt kraftige teleskoper å se dem fra Jorden mange milliarder av år etterpå. Lysstyrken til fysiske kilder avtar raskt med avstanden, og å prøve å få øye på en galakse i en avstand på 1 milliard lysår er like utfordrende som å prøve å få frem en bilens lyskaster omtrent 60 000 mil unna. Å prøve å oppdage den samme galaksen i en avstand på 10 milliarder lysår er 100 ganger vanskeligere.
Så langt har dette vært den drivende faktoren for å begrense avstanden til de fjerneste galaksene som vi kan se. Fram til 1980-tallet var alle våre teleskoper basert på bakken, der jordas atmosfære og lysforurensning hindrer deres ytelse. Likevel var vi allerede klar over galakser som er over 5 milliarder lysår unna. Lanseringen av Hubble-romteleskopet i 1990 tillot oss å knuse denne distanseposten mange ganger, og mens jeg skriver dette, ligger den fjerneste kjente galaksen i svimlende 13, 4 milliarder år i det siste.
JWST vil bruke infrarødt lys for å studere hver fase i den kosmiske historien, alt fra de første lysende glødene etter Big Bang til dannelsen av stjernersystemer som kan støtte livet på planeter som Jorden. (NASA) Dette bringer oss til et av hovedspørsmålene i moderne astronomi: hvilke egenskaper ved disse fjerne galaksene kan vi faktisk måle? Mens observasjoner av nærliggende galakser viser deres former og farger i detalj, er det eneste informasjonsstykket vi kan samle om de fjerneste galaksene ofte den generelle lysstyrken. Men ved å se på dem med teleskoper som er følsomme for lysfrekvenser utenfor det synlige området, for eksempel ultrafiolett, radio og infrarød, kan vi avdekke ledetråder om stjernestatuspopulasjonene i galaksen, samt om dens avstand fra oss.
Ved å observere galakser med så mange forskjellige frekvenser som mulig, kan vi lage et spektrum, som viser hvor lys galaksen er i hver lyssort. Fordi universet ekspanderer, har de elektromagnetiske bølgene som blir oppdaget av teleskopene våre blitt strukket underveis, og det skjer slik at mengden strekning i spektrene er proporsjonal med avstanden til galaksen fra oss. Dette forholdet, kalt Hubbles lov, gjør det mulig for oss å måle hvor langt disse galaksene er. Spektra kan også avsløre andre egenskaper, for eksempel den totale mengden masse i stjerner, hastigheten som galaksen danner stjerner og alderen til stjernebestanden.
For bare noen måneder siden brukte et team av astronomer fra USA og Europa observasjoner fra Hubble-romteleskopet og det infrarøde romteleskopet Spitzer for å oppdage den fjerneste galaksen som er kjent til dags dato, GN-z11. Observert bare 400 millioner år etter Big Bang ("da universet bare var 3 prosent av sin nåværende alder", ifølge hovedetterforsker Pascal Oesch) har det en masse på en milliard soler samlet, omtrent 1/25 av vår egen Melkeveien.
GN-z11 danner stjerner omtrent 20 ganger raskere, med den bemerkelsesverdige hastigheten på 25 nye soler per år. ”Det er utrolig at en så massiv galakse eksisterte bare 200 til 300 millioner år etter at de aller første stjernene begynte å danne seg. Det tar veldig rask vekst, og produserer stjerner med enorm hastighet, for å ha dannet en galakse som er en milliard solmasser så snart, ”forklarer Garth Illingworth, en annen etterforsker i oppdagelsesteamet.
Eksistensen av en så massiv gjenstand på så tidlig tid sammenstøt med nåværende scenarier for kosmisk montering, noe som gir nye utfordringer for forskere som jobber med modellering av galaksedannelse og evolusjon. "Denne nye oppdagelsen viser at Webb-teleskopet (JWST) sikkert vil finne mange slike unge galakser som når tilbake til da de første galaksene ble dannet, " sier Illingworth.
JWST er planlagt å bli lansert i 2018 og vil bane rundt sol / jord-systemet fra en spesiell beliggenhet 900.000 miles unna oss. I likhet med Hubble vil JWST bære flere instrumenter, inkludert kraftige kameraer og spektrografer, men det vil ha økt følsomhet: det primære speilet vil være nesten syv ganger større, og frekvensområdet vil strekke seg mye lenger inn i det infrarøde området. Det forskjellige frekvensområdet vil gjøre det mulig for JWST å oppdage spektre med høyere strekning, tilhørende lengre objekter. Det vil også ha den unike evnen til å ta spektre av 100 objekter samtidig. Med JWST forventer vi å skyve avstandsbarrieren enda lenger, til en epoke bare 150 millioner år etter Big Bang, og å oppdage de aller første galaksene som noen gang er dannet. JWST vil hjelpe oss å forstå hvordan formene til galakser endres med tiden, og hvilke faktorer som styrer galakseinteraksjoner og sammenslåinger.
Men JWST vil ikke bare se på galakser. Ved å kikke mot universet i infrarødt lys, vil vi kunne se gjennom de tykke støvgardinene som omslutter nyfødte stjerner og planeter, og gir et vindu mot dannelsen av andre solsystemer. Videre vil spesielle instrumenter som kalles koronagrafter muliggjøre avbildning av planeter rundt andre stjerner, og forhåpentligvis føre til oppdagelsen av flere jordlignende planeter som er i stand til å være vertskap for livet. For alle som noen gang har sett på himmelen og lurt på hva som er der ute, det neste tiåret kommer til å bli en veldig spennende tid.
