6,5 meter stort James Webb-teleskop er astronomiens store fremtidshåb

I 30 år har Hubble været astronomiens mest berømte teleskop, men alt får en ende.

Hvordan astronomien vil udvikle sig de næste 30 år er svært at sige, selv om det er ret sikkert, at observatorier her på Jorden også vil være vigtige i 2050.

Ser vi på teleskoper ude i rummet, er det umuligt at forudse udviklingen mere end få år frem. Det skyldes, at rumteleskoper er blevet 'Big Science' med store budgetter.

Astronomiske projekter bliver foreslået af forskere, men om de bliver gennemført, afhænger af økonomi og politik.

Derfor er rumteleskoper vigtige

Hubble har vist os, hvor vigtigt det er at kunne observere med et teleskop ude i rummet, hvor Jordens atmosfære ikke kan forstyrre målingerne.

Astronomerne kunne derfor ønske sig en masse rumteleskoper, men alt tyder på, at store rumteleskoper i de næste mange år vil være en sjældenhed.

Det er derfor vigtigt at opsende netop de rumteleskoper, der bedst kan bringe astronomien fremad.

Vi vil her se på to områder af astronomien, hvor rumteleskoper kan komme til at spille en vigtig rolle i de kommende år, fordi observationerne er vanskelige eller umulige at foretage her fra Jorden:

• Universets begyndelse. Hubble tog det første skridt med de såkaldte Deep Field-observationer af meget fjerne og dermed gamle galakser, men for at man for alvor kan studere de første galakser og stjerner kræves et langt større teleskop end Hubble.
  
• Observationer i alle bølgelængder. Det er fint at observere universet i synligt lys, men der foregår meget i universet, som kun kan undersøges ved at observere i områder som radiobølger, infrarødt lys, ultraviolet lys og røntgenstråling.

Studiet af universets begyndelse bliver hovedopgaven for det store og meget dyre James Webb teleskop, som ofte betegnes som Hubble-teleskopets afløser.

Syv gange så stort et spejl

Da universet er 13,8 milliarder år gammelt, kan vi kun lære noget om det meget unge univers ved at studere galakser, hvor lyset har været 10-13 milliarder år undervejs.

Det er en lang rejse for lyset, så de allerførste galakser ses i selv store teleskoper kun som nogle meget svage lyspletter.

Hubble-teleskopet skulle bruge uger på at samle lys nok sammen til at vise disse første galakser.

For James Webb skulle det gå hurtigere, fordi teleskopet er udstyret med det hidtil største spejl, der er sendt ud i rummet. Det har en diameter på ikke mindre end 6,5 meter, hvilket skal sammenlignes med Hubbles 2,4 meter store spejl.

Det store spejl på James Webb har dermed et areal som er mere end syv gange så stort som spejlet på Hubble, og det vil gøre det meget lettere at indsamle så meget lys, at man kan få taget nogle gode billeder.

Opkaldt efter NASA-leder

Teleskopet er ikke opkaldt efter en astronom, men efter en tidligere leder af NASA James E. Webb (1906-1992). Han stod i spidsen for NASA under månekapløbet 1961-1968 og spillede også en stor rolle for opbygningen af NASAs videnskabelige programmer.

James Webb-teleskopet er et internationalt projekt, hvor Europa har den vigtige opgave at opsende det 6,5 ton tunge teleskop med en Ariane-raket fra Kourou-basen i Sydamerika.

De tekniske udfordringer har været enorme, og det har forsinket opsendelsen i adskillige år.

Med noget held kan teleskopet opsendes i løbet af 2021 (men hold ikke vejret). Mislykkes opsendelsen, eller hvis den meget avancerede teknik bare ikke virker, så vil det få enorme konsekvenser for hele den rumbaserede astronomi, fordi der er ofret så utrolig mange penge på dette ene projekt, indtil nu over 10 milliarder dollar.

Det betyder, at James Webb har været med til at tage penge fra andre store astronomiske projekter, såsom WFIRST, hvilket vi vil omtale senere i artiklen.

Sammenfoldelig ingeniørkunst

Bygningen af det store teleskop har givet ingeniørerne mange udfordringer, og en af de største har været det 6,5 meter store spejl.

Det er for stort til at sidde i næsen på Ariane-raketten og er derfor opbygget af 18 mindre sekskantede spejle, så spejlet kan foldes sammen ved opsendelsen.

Når teleskopet er kommet fri af Ariane-raketten, skal det selv folde sig ud, men det sker først, når det er ankommet til sin endelige plads ude i rummet.

Man har valgt at sende James Webb-teleskopet helt ud til det såkaldt andet Lagrangepunkt L2, som befinder sig 1,5 millioner km fra Jorden – og den store afstand betyder, at teleskopet ikke kan repareres af astronauter.

Hvis ikke de 18 spejle ved udfoldningen falder helt præcist på plads, så vil spejlets evne til at danne skarpe billeder selv i bedste fald blive stærkt nedsat. I værste fald bliver spejlet uanvendeligt.

Naturligvis er der en god grund til at, man har valgt dette fjerne punkt. Herfra er udsigten nemlig meget fin, for Jorden er for langt væk til at skygge for halvdelen af himlen, som tilfældet er for Hubble. Jorden og Månen er set fra L2 bare to små kloder, der ikke fylder meget på den sorte himmel.

Fungerer ved -220 grader

Det kræver et koldt teleskop at studere universets begyndelse, og det menes ganske bogstaveligt:

Selve teleskopet og dets instrumenter skal holdes nede på en temperatur på -220 grader. Ved højere temperatur vil den infrarøde varmestråling fra instrumenter og teleskop nemlig forstyrre målingerne.

Det er nødvendigt, at observationerne foretages i det infrarøde område, og det skyldes universets udvidelse.

De stjerner og galakser, som skal studeres, udsendte deres lys for mere end 10 milliarder år siden, og i løbet af denne tid er universet blevet meget større.

Det betyder, at bølgelængden af lyset også er vokset i takt med universets udvidelse.

Det lys, som for milliarder af år siden blev udsendt som blåt lys med kort bølgelængde, modtager vi derfor nu som infrarødt lys med stor bølgelængde.

Derfor er instrumenterne på James Webb bygget, så de dækker området fra 0,6 til 28,3 mikrometer, altså fra orange lys til langt inde i det infrarøde.

Solskjold på størrelse med en tennisbane

Det er dog noget af en udfordring at holde teleskopet koldt, for der, hvor James Webb skal parkeres 1,5 millioner km fra Jorden, er der altid sollys. Teleskopet kommer aldrig ind i Jordens skygge, hvor det kunne køles ned.

Man løser problemet med at holde teleskop og instrumenter kolde ved at anbringe begge dele på skyggesiden af et enormt solskjold med hele fem lag isolering. Men der er et stort problem: Solskjoldet er nemlig stort, næsten på størrelse med en tennisbane.

Derfor skal solskjoldet ligesom spejlet foldes inden opsendelsen, for at kunne anbringes i næsen på en Ariane-raket.

Solskjoldet med alle sine 5 lag skal foldes ikke mindre end 12 gange og først foldes ud til sin endelige størrelse på 21,2 gange 14,2 meter, når teleskopet er langt ude i rummet.

Der er ingen tvivl om, at udfoldningen af solskjold og spejl er noget af det, som bekymrer ingeniørerne mest.

På mange måder vil opsendelsen og udfoldningen af James Webb-teleskopet nok blive den vigtigste begivenhed i rummet i 2021.

Men går det godt, får astronomerne deres ønske opfyldt om at se tilbage til universets begyndelse – og desuden kan teleskopet naturligvis også løse andre opgaver som at observere exoplaneter.

Det meste af tiden vil det dog nok være reserveret til det meget unge univers og de første galakser.

Det usynlige univers

Der kommer stråling til os fra rummet i alle mulige bølgelængder, lige fra radiobølger og infrarødt lys til kortbølget lys som røntgen og gammastråling.

Hubble har kun kunnet observere universet i synligt lys og i en lille del af det ultraviolette og infrarøde område.

Så uanset, hvor gode Hubbles billeder er, så viser de os ikke hele sandheden om universet.

Skal vi se universet, som det virkelig er, så skal vi anvende mange forskellige typer teleskoper, der tilsammen dækker hele spektret, fra de længste radiobølger til den mest kortbølgede gammastråling.

Som vi skal se, har astronomerne allerede i mange år arbejdet på denne måde, men i fremtiden får vi brug for endnu mere samarbejde, og det betyder, at James Webb ikke kan blive helt så dominerende, som Hubble hidtil har været.

For nu at sige det på latin, så bliver James Webb ’primus inter pares’ - eller 'den første blandt ligemænd'.

Forskellige målinger giver det fulde billede

To billeder viser, hvor vigtigt det er at se på universet i flere forskellige bølgelængdeområder.

Det første billede er af galaksen Hercules A, også kendt under katalognummeret 3C 348.

Hercules A er en stor galakse 2,1 milliarder lysår borte, der er kendt for at udsende en stærk radiostråling. Hubble har naturligvis taget et billede af galaksen, men det viser nu ikke noget særligt. Selve galaksen er bare den lille hvide plet i midten af billedet.

Men radioastronomerne har målt, hvorfra radiostrålingen kommer, og på grundlag af disse målinger har de skabt et computerkort, som er indsat sammen med Hubbles fotografi.

Og nu ser man noget helt andet:

Fra Hercules A udgår to enorme jetter, der ender i hver sin sky.

Jetterne er hver en million lysår lange, og radiostrålingen kommer fra elektroner, der hvirvler rundt i kraftige magnetfelter, såkaldt synkrotronstråling. Hele denne aktivitet stammer fra et stort sort hul midt inde i galaksen med en masse på mindst fire milliarder gange Solens masse.

Og alt dette har Hubble jo slet ikke haft mulighed for at se, selv om dens billede er af god kvalitet.

Galakser og en sky af gas

Det andet billede er af den galaksehob, der hedder Coma-hoben.

Coma er en stor hob med over 1.000 galakser i en afstand på 320 millioner lysår.

Både Hubble og røntgensatellitten Chandra har taget billeder af Coma-hoben, men det er synd at sige, at billederne ligner hinanden. Hubbles billede viser en masse galakser, mens Chandras billede faktisk ikke viser galakser, men i stedet en stor sky af meget varm gas.

Hubble og Chandra viser bare to sider af hoben. Det er da korrekt, at den består af de galakser, Hubble fotograferer, men derudover også af en meget varm såkaldt intergalaktisk gas, der med sin tyngdekraft er med til at holde sammen på hoben.

Denne gas kan man overhovedet ikke se i synligt lys, så derfor kræver det observationer ved flere bølgelængder at få et fuldstændigt billede af hoben.

Det er netop ved at kombinere Hubbles og Chandras målinger, at man er blevet klar over, at tyngdekraften fra gassen slet ikke er nok til at holde sammen på hoben. Der må være en ekstra tyngdekraft fra noget usynligt stof – det vi i dag kalder for mørkt stof.

De teleskoper, der observerer udenfor det synlige område, har haft stor betydning allerede nu, men i fremtiden vil de blive endnu vigtigere. Det vil i højere grad nærme sig et teamwork mellem mange typer teleskoper at udforske universet.

Intet enkelt teleskop kan vise os universet.

Mangel på rumteleskoper

Her er det et problem, at et stort og vigtigt teleskop som den infrarøde Spitzer er gået på pension, og røntgensatellitternes store flagskib Chandra også er ved at være godt brugt.

Vi kan derfor forudse en mangel på store rumteleskoper, især til det ikke-synlige område, i de kommende 10 år.

På en måde vil tabet af Chandra næsten være alvorligere end tabet af Hubble.

Hubble observerer i synligt lys, og det kan vi også fra Jorden. Chandra observerer i røntgen, og røntgenstråling trænger ikke gennem atmosfæren. Hele vores viden om røntgenastronomi er derfor afhængig af teleskoper ude i rummet.

Det samme gælder for infrarøde og ultraviolette observationer, og det er derfor, at de såkaldt ikke-optiske teleskoper er så vigtige for den moderne astronomi.

Det er således en høj prioritet hele tiden at have sådanne teleskoper ude i rummet.

Mælkevejens usynlige center

Som eksempel kan nævnes, at hele udforskningen af Mælkevejens centrum med det store sorte hul stort set er foretaget udenfor det synlige område.

Der er nemlig enorme mængder af gas og støv, som gør det næsten umuligt at se centret i synligt lys. Infrarødt lys og røntgenstråling kan meget bedre trænge gennem de store skyer.

Udforskningen af mælkevejens centrum er derfor især foretaget af Chandra og Spitzer i samarbejde med radioastronomerne her på Jorden.

ALMA-observatoriet i Chile er her særlig vigtigt, fordi de 66 parabolantenner observerer universet i mikrobølgeområdet og derfor også kan se helt ind til centret.

Små teleskoper har også ret

Normalt hører vi kun om de meget store rumteleskoper som Hubble, Chandra og James Webb. De er også meget vigtige, men tendensen er, at stadig flere opgaver flyttes over til små teleskoper.

Med moderne teknik kan et teleskop på nogle få hundrede kg løse mange opgaver – den største begrænsning er, at de ikke kan se meget svage galakser og stjerner meget langt borte.

Til gengæld har de en anden fordel: De meget store teleskoper, både i rummet og på Jorden, er så overtegnede, at man let kan komme til at vente måneder eller år på at få tildelt en observationstid.

For de fleste astronomer er det vigtigste nok at kunne få observationstid, og helst med kort varsel, så man kan nå at reagere, hvis der sker noget uventet – som når en komet eller asteroide fra en anden stjerne passerer gennem vores solsystem, eller en supernova pludselig dukker op.

Både NASA og de lidt mindre rumagenturer som europæiske ESA, det Japanske JAXA og det indiske ISRO opsender med jævne mellemrum mindre astronomiske satellitter.

Således har der siden den gamle IUE satellit (International Ultraviolet Explorer), der virkede fra 1978 og frem til 1996, været opsendt omkring et dusin mindre satellitter til observation af ultraviolet stråling.

Der er vist ikke mange, der har hørt om FUSE, CHIPS, SWIFT eller GALEX. Således studerede den kun 277 kg tunge GALEX stjernedannelse i tusinder af galakser, og den er jo bare et enkelt eksempel på en mindre astronomisk satellit.

Små teleskoper sikrer adgang

I røntgenområdet kan nævnes den japanske Suzako, der blev opsendt i 2005 og NASA's kun 350 kg tunge NuSTAR, der blandt andet har studeret sorte huller. Og det ser ud til at fortsætte.

Ser vi på Europa, har ESA da også nogle astronomiske satellitter under planlægning:

• EUCLID, der skal studere mørkt stof og mørk energi ved at observere galakser. Skal op i 2022.
• PLATO, som skal lede efter Exoplaneter. Opsendelsen er planlagt til 2026.
• ATHENA til røntgenobservationer. Den skal dog først opsendes efter 2030.

Det er de næsten ukendte små rumteleskoper, der vil komme til at spille en stadig større rolle, selv om pressen helst vil koncentrere sig om, hvordan James Webb klarer sig ude i rummet.

WFIRST tiltrækker sig opmærksomhed

Astronomerne har grund til at være glade for de små teleskoper, fordi det både politisk og økonomisk ligger meget tungt med at få penge til store og dyre rumteleskoper.

Det er i høj grad de små teleskoper, der sikrer, at astronomerne hele tiden har adgang til et rumteleskop.

Det forhindrer dog ikke NASA i at have planer om meget store rumteleskoper for perioden 2030-2050, men ser vi på den nære fremtid, er der er dog et superprojekt, der tiltrækker sig en særlig opmærksomhed.

Det er teleskopet WFIRST, hvor navnet står for Wide Field Infrared Survey Telescope. Som navnet antyder, er WFIRST et infrarødt teleskop, der er som skabt til at afløse Spitzer.

Fra spionsatellit til infrarødt teleskop

WFIRST kan føre sin historie tilbage til en gave, som NASA fik i 2012 fra National Reconnaissance Office, der til daglig opsender spionsatellitter.

Gaven bestod af to store satellitter, der i størrelse og konstruktion minder om Hubble-teleskopet. Man havde ikke brug for dem, så nu kunne NASA så se, hvad de kunne få ud af dem.

Der gik ikke længe, før NASA havde fundet en opgave til den ene satellit. Med et spejl på 2,4 meter var det nemlig let at forvandle spionsatellitten til et infrarødt teleskop, som ikke bare kunne observere svage kilder, men også se på universet med et synsfelt 100 gange større end Spitzer.

Det betyder ikke bare, at WFIRST kan skanne himlen for svage infrarøde kilder, men også at teleskopet kan løse en helt ny opgave: Nemlig at undersøge, hvorledes den såkaldte mørke energi påvirker universet.

Mørk energi er et begreb, der blev indført for at forklare, hvorfor universet tilsyneladende udvider sig stadig hurtigere – noget, som ikke kan forklares med vores nuværende teorier.

WFIRST kan muligvis fotografere exoplaneter

WFIRST vil være meget velegnet til at finde supernovaer i fjerne galakser og bruge dem til at måle, hvordan universets udvidelse er foregået gennem en stor del af universets historie.

En anden vigtig opgave bliver at lede efter exoplaneter, som er lettest at observere i infrarødt lys.

Som den første satellit vil WFIRST medføre en såkaldt koronagraf, der er et instrument, som kan blokere for lyset fra en stjerne. Hvis man skygger for en stjerne på denne måde, bliver det muligt for WFIRST direkte at fotografere exoplaneter.

WFIRST finder planet via stjernelys

Men det er ikke det hele, for med WFIRST kan man også bruge en helt anden metode til at lede efter exoplaneter, nemlig den metode, der kaldes 'micro-lensing'.

Som Einstein viste, så afbøjer tyngdefelter lys. Vi tænker os nu, at vi observerer en stjerne, der er omkredset af en exoplanet.

På et tidspunkt er vi måske så heldige, at stjernen kommer til at skygge for en fjern baggrundsstjerne.

Den fjerne stjernes lys passerer nu forbi vores stjerne og dens planet. Med sit tyngdefelt afbøjer vores stjerne nu lyset fra den fjerne stjerne – og kommer derved til at virke som en linse, der kortvarigt kan få lyset fra den fjerne stjerne til at blusse op.

Men kort efter kommer også planeten til at skygge for den fjerne stjerne, og igen afbøjes lyset, og vi får en lille ekstra top på lyskurven.

Metoden er afprøvet her fra Jorden, og den virker, men den kan kun anvendes med fordel, hvis man som WFIRST har et stort synsfelt med masser af stjerner. For micro-lensing er et sjældent og kortvarigt fænomen, som man skal være heldig for at opleve, hvis man ikke på en gang har en masse stjerner i synsfeltet.

Trump-administrationen er i vejen

Man skulle tro, at et projekt om at genbruge en gratis spionsatellit til astronomiske formål lå lige til højrebenet.

Det synes både NASA og videnskaben, men WFIRST er ikke sluppet gennem Trump-administrationens budgetforslag endnu. Deres udspil i februar 2020 har været helt at opgive projektet, men det sidste ord er vist ikke sagt i denne sag.

Trump-administrationen har nemlig to gange tidligere søgt at standse projektet (sammen med andre videnskabelige projekter), men begge gange har kongressen alligevel bevilget penge til WFIRST. NASA har foreløbig taget den med ro ved at overveje, hvilken raket, der skal opsende teleskopet…

Holdningen i regeringen er, at man ikke vil ofre penge på et nyt stort astronomiprojekt, før James Webb er blevet opsendt og har vist, at det fungerer.

Om WFIRST en dag bliver opsendt er derfor usikkert, men det viser, hvor meget den politiske virkelighed griber ind i langtidsplanlægningen for NASA. Det tager nemlig tid at gøre et teleskop klart med nye instrumenter, og selv med grønt lys nu ville WFIRST næppe kunne komme op før 2024.

Man kan kun ønske NASA held og lykke, selv om der godt kan gå rigtig mange år, før nogle af NASA's mere vilde planer om enorme teleskoper i rummet har mulighed for at blive til virkelighed.