Το Webb – το πιο ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε ποτέ – θα σας ταξιδέψει πίσω στο χρόνο στις σκοτεινές εποχές του σύμπαντος

Κάποιοι κάλεσαν NASA‘μικρό Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Ο “Το τηλεσκόπιο που έφαγε την αστρονομία. “αυτό είναι Το πιο ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο Κατασκευάστηκε ποτέ και ένα περίπλοκο κομμάτι μηχανικού origami που ώθησε τα όρια της ανθρώπινης μηχανικής. Στις 22 Δεκεμβρίου 2021, μετά από χρόνια καθυστερήσεων και υπερβάσεις κόστους δισεκατομμυρίων δολαρίων, το τηλεσκόπιο πρόκειται να εκτοξευθεί σε τροχιά και να εγκαινιάσει την επόμενη εποχή της αστρονομίας.

Εγώ αστρονόμος Εξειδίκευση στην Παρατηρητική Κοσμολογία – Μελετάω μακρινούς γαλαξίες εδώ και 30 χρόνια. Μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν σχετίζονται με τα πρώτα του χρόνια η μεγάλη έκρηξη. Πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες; Ποιος ήρθε πρώτος και γιατί; Είμαι πολύ ενθουσιασμένος που οι αστρονόμοι μπορεί σύντομα να ανακαλύψουν την ιστορία του πώς ξεκίνησαν οι γαλαξίες, επειδή ο James Webb σχεδιάστηκε ειδικά για να απαντά σε αυτές ακριβώς τις ερωτήσεις.

Το σύμπαν πέρασε μια χρονική περίοδο γνωστή ως Σκοτεινή Εποχή πριν τα αστέρια ή οι γαλαξίες εκπέμψουν οποιοδήποτε φως. Πίστωση: STScI

Οι «σκοτεινοί αιώνες» του σύμπαντος

Άριστα στοιχεία δείχνουν ότι το σύμπαν ξεκίνησε με ένα γεγονός που ονομάζεται Big Bang πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, το οποίο το άφησε σε μια εξαιρετικά καυτή και πυκνή κατάσταση. Το σύμπαν άρχισε αμέσως να διαστέλλεται μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ψύχοντας όπως και έγινε. Ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν είχε πλάτος εκατό τρισεκατομμύρια μίλια με μέση θερμοκρασία τα απίστευτα 18 δισεκατομμύρια Φαρενάιτ (10 δισεκατομμύρια Κελσίου). Περίπου 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν είχε πλάτος 10 εκατομμύρια έτη φωτός και Η θερμοκρασία έχει ψυχθεί έως 5500 Φαρενάιτ (3000 Κελσίου). Αν κάποιος ήταν εκεί για να το δει σε αυτό το σημείο, το σύμπαν θα έλαμπε ένα θαμπό κόκκινο σαν γιγάντια λάμπα θερμότητας.

Όλο αυτό το διάστημα, ο χώρος ήταν γεμάτος με μια λεία σούπα από σωματίδια υψηλής ενέργειας, ακτινοβολία, υδρογόνο και ήλιο. Δεν υπήρχε δομή. Καθώς το διαστελλόμενο σύμπαν γινόταν όλο και πιο κρύο, η σούπα μειώθηκε και όλα έγιναν μαύρα. Αυτή ήταν η αρχή αυτού που αποκαλούν οι αστρονόμοι Σκοτεινα ΧΡΟΝΙΑ Σύμπαν.

Ήταν η σούπα των σκοτεινών χρόνων Όχι εντελώς ομοιόμορφο Λόγω της βαρύτητας, μικρές περιοχές αερίου αρχίζουν να συσσωρεύονται και να γίνονται πιο πυκνές. Το λείο σύμπαν έγινε άμορφο και αυτές οι μικρές συστάδες πυκνότερων αερίων ήταν οι σπόροι για τον τελικό σχηματισμό των άστρων, των γαλαξιών και οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν.

Αν και δεν υπήρχε τίποτα να δει κανείς, οι Σκοτεινοί Χρόνοι ήταν ένα σημαντικό στάδιο στην εξέλιξη του σύμπαντος.

Το φως από το πρώιμο σύμπαν βρίσκεται στο υπέρυθρο μήκος κύματος – μεγαλύτερο από το κόκκινο φως – όταν φτάνει στη Γη. Credit: Inductiveload / NASA

Ψάχνω το πρώτο φως

Οι σκοτεινοί αιώνες τελείωσαν όταν η βαρύτητα σχημάτισε τα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες που τελικά άρχισαν να εκπέμπουν το πρώτο φως. Αν και οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν πότε έγινε το πρώτο φως, η καλύτερη εικασία είναι ότι ήταν Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι αστρονόμοι επίσης δεν γνωρίζουν αν σχηματίστηκαν πρώτα αστέρια ή γαλαξίες.

τρέχουσες θεωρίες Με βάση το πώς η βαρύτητα σχηματίζει τη δομή σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ύλη, υποδηλώνει ότι μικρότερα αντικείμενα – όπως αστέρια και αστρικά σμήνη – πιθανότατα σχηματίστηκαν πρώτα και αργότερα μεγάλωσαν σε νάνους γαλαξίες και στη συνέχεια σε μεγαλύτερους γαλαξίες όπως Γαλαξίας. Αυτά τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν ήταν ακραία αντικείμενα σε σύγκριση με τα σημερινά αστέρια. ήταν Ένα εκατομμύριο φορές πιο φωτεινό Αλλά έζησαν μια πολύ σύντομη ζωή. Κάηκαν ζεστά και λαμπερά και όταν πέθαναν, άφησαν πίσω τους μαύρες τρύπες έως και εκατό φορές τη μάζα του Ήλιου, που μπορεί να είχαν Χρησιμεύει ως σπόρος για γαλαξίες.

Η εικονογράφηση αυτού του καλλιτέχνη αντιπροσωπεύει τις επιστημονικές δυνατότητες του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb της NASA. Τόσο η απεικόνιση όσο και η φασματοσκοπία θα είναι κεντρικά στην αποστολή του Webb. Πίστωση: NASA, ESA και A. Feild (STScI)

Οι αστρονόμοι θέλουν να μελετήσουν αυτή την υπέροχη και σημαντική εποχή του σύμπαντος, αλλά η ανακάλυψη του πρώτου φωτός παρουσιάζει μια μεγάλη πρόκληση. Σε σύγκριση με τους σημερινούς τεράστιους και φωτεινούς γαλαξίες, τα πρώτα αντικείμενα ήταν πολύ μικρά και λόγω της συνεχούς διαστολής του σύμπαντος, βρίσκονται τώρα δεκάδες δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Επίσης, τα πρώτα αστέρια περιβάλλονταν από αέριο που έμεινε από το σχηματισμό τους και αυτό το αέριο λειτουργούσε σαν ομίχλη, απορροφώντας το μεγαλύτερο μέρος του φωτός. Χρειάστηκαν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να Ακτινοβολία για να διώξει την ομίχλη. Αυτό το πρώιμο φως είναι πολύ αμυδρό μέχρι να φτάσει στη Γη.

Αλλά αυτή δεν είναι η μόνη πρόκληση.

Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, διαστέλλεται συνεχώς το μήκος κύματος του φωτός που διέρχεται από αυτό. Αυτό ονομάζεται μετατόπιση στο κόκκινο Επειδή μεταδίδει φως με μικρότερα μήκη κύματος – όπως το μπλε ή το λευκό φως – σε μεγαλύτερα μήκη κύματος όπως το κόκκινο ή το υπέρυθρο φως. Αν και δεν είναι μια τέλεια αναλογία, παρόμοια με το πώς περνάει ένα αυτοκίνητο από μπροστά σας, ο τόνος οποιουδήποτε ήχου κάνετε πέφτει αισθητά.

Παρόμοια με το πώς μειώνεται το ύψος του ήχου αν η πηγή απομακρύνεται από εσάς, το μήκος κύματος του φωτός τεντώνεται λόγω της διαστολής του σύμπαντος.

Μέχρι τη στιγμή που το φως από ένα πρώιμο αστέρι ή γαλαξία πριν από 13 δισεκατομμύρια χρόνια φτάσει σε οποιοδήποτε τηλεσκόπιο στη Γη, έχει τεντωθεί κατά 10 φορές λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Φτάνει στο υπέρυθρο φως, που σημαίνει ότι το μήκος κύματός του είναι μεγαλύτερο από αυτό του κόκκινου φωτός. Για να δείτε το πρώτο φως, πρέπει να αναζητήσετε ένα υπέρυθρο φως.

Το τηλεσκόπιο ως χρονομηχανή

Μπείτε στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Τα τηλεσκόπια είναι σαν χρονομηχανές. Εάν ένα αντικείμενο βρίσκεται 10.000 έτη φωτός μακριά, αυτό σημαίνει ότι το φως χρειάζεται 10.000 χρόνια για να φτάσει στη Γη. Έτσι, όσο πιο μακριά βρίσκονται οι αστρονόμοι στο διάστημα, τόσο περισσότερο Ψάχνουμε πίσω στον χρόνο.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb σχεδιάστηκε ειδικά για να ανακαλύψει τους παλαιότερους γαλαξίες στο σύμπαν. Πίστωση: NASA/Desiree Stover

Μοχαντεσίν Βελτιστοποίηση James Webb Ειδικά για την ανίχνευση του εξασθενούς υπέρυθρου φωτός παλαιότερων αστεριών ή γαλαξιών. Σε σύγκριση με το Διαστημικό Τηλεσκόπιο HubbleΚαι Ο James Webb έχει 15 φορές ευρύτερο οπτικό πεδίο στην κάμερά τουΣυλλέγει έξι φορές περισσότερο φως και οι αισθητήρες του είναι ρυθμισμένοι ώστε να είναι πιο ευαίσθητοι στο υπέρυθρο φως.

Η στρατηγική είναι να κοιτάζετε βαθιά σε ένα σημείο του ουρανού για πολλή ώρα, συλλέγοντας όσο το δυνατόν περισσότερο φως και πληροφορίες από τους πιο απομακρυσμένους και παλαιότερους γαλαξίες. Με αυτά τα δεδομένα, μπορεί να είναι δυνατό να απαντηθεί πότε και πώς τελείωσε ο Σκοτεινός Χρόνος, αλλά υπάρχουν πολλές άλλες σημαντικές ανακαλύψεις που πρέπει να γίνουν. Για παράδειγμα, η επίλυση αυτής της ιστορίας μπορεί επίσης να οδηγήσει σε Βοηθά στην εξήγηση της φύσης της σκοτεινής ύλης, τη μυστηριώδη μορφή ύλης που αποτελεί περίπου το 80% της μάζας του σύμπαντος.

Ο James Webb είναι τεχνικά η πιο σκληρή αποστολή που έχει επιχειρήσει ποτέ η NASA. Αλλά νομίζω ότι τα επιστημονικά ερωτήματα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην απάντηση τους αξίζουν κάθε ουγγιά προσπάθειας. Εγώ και οι άλλοι αστρονόμοι περιμένουμε με ανυπομονησία τα δεδομένα να αρχίσουν να επιστρέφουν κάποια στιγμή το 2022.

Γράφτηκε από τον Chris Impey, Διακεκριμένο Καθηγητή Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο Συνομιλία.