Så kom de første billeder og målinger fra det nye James Webb-teleskop, og de viser, at astronomien står overfor en gylden tid, hvor der jævnligt vil komme mange nye opdagelser.
Vi vil naturligvis først se på disse nye billeder, men også på, hvad vi kan vente fra teleskopet i fremtiden.
I afsnittet ’Det store puslespil’ ser vi på, hvorfor James Webb ikke kan stå alene. Det fulde udbytte af teleskopet får vi først, når vi kan sammenholde målingerne fra Webb med målinger fra andre teleskoper, som bogstavelig talt ser på universet med helt andre øjne.
For en ordens skyld vil vi lige gøre opmærksom på, at James Webbs billeder ikke viser universet, som vi ser det. James Webb observerer i infrarødt lys, som er usynligt for øjet, og alle farverne er bogstaveligt talt noget, som er sat på for gøre billederne lettere at forstå og fortolke.
Det første billede
Det er lidt som børn, der ikke kan vente på juleaften – trods alle løfter om at vente til tirsdag 12. juli, så kunne præsident Biden og vicepræsident Kamala Harris ikke vente til den fastsatte pressekonference.
Så allerede mandag aften præsenterede de et af de fem billeder, der var udvalgt til pressekonferencen, nemlig et blik tilbage på det meget unge univers. Og samtidig slog de et slag for, hvor vigtig videnskab er for det moderne samfund.
Billedet af det meget unge univers var imponerende. Vi så ikke noget uventet, men kvaliteten lover godt for den mere detaljerede forskning, som venter i de kommende år.
Det, vi så, var det dybeste og skarpeste infrarøde billede af det fjerne univers til dato - og samtidig viser det, hvor enormt kosmos er.
Området, som vi så på billedet, svarer i størrelse til et sandkorn, der holdes i armslængde af en person, der står på Jordens overflade. Alene denne lille del af universet indeholder tusindvis af galakser af utrolig variation.
For nogle af de galakser, som vi ser på billedet, har lyset været undervejs i mere end 13 milliarder år, hvilket skal sammenlignes med universets alder på 13,8 milliarder år.
At vi kan se så langt tilbage i tiden, skyldes en kombination af, hvad teleskopet selv kan, kombineret med naturens eget teleskop, baseret på, at lys afbøjes af stærke tyngdefelter.
Man rettede nemlig James Webb mod galaksehoben SMACS 0723, som er en stor og massiv hob af galakser, godt 4,6 milliarder lysår borte.
Bag denne hob er der et utal af galakser endnu længere borte, og når lyset fra disse galakser passerer SMACS 0723, bliver det afbøjet som i en linse.
Det er denne linseeffekt, der gør det muligt at se disse meget fjerne galakser. Galakserne bliver simpelthen forstørret af denne såkaldte gravitationslinseeffekt. På billedet ses disse galakser som små rødlige buer.
Hubble har taget tilsvarende billeder, men her skulle rumteleskopet indsamle lys i 11 dage for at få et anvendeligt billede.
James Webb klarede det på 12,5 timer takket være sit store spejl på 6,5 meter. Man håber på senere billeder at komme endnu tættere på Big Bang.
Carina-tågen
Carina-tågen er en stor sky af gas og støv 8.500 lysår borte og dermed en del af Mælkevejen.
Den er fire gange større end den måske mere kendte Orion-tåge, men fælles for de to tåger er, at her foregår en intens dannelse af nye stjerner.
Billedet er domineret af en sky af støv og gas, hvor de nye stjerner dannes. Støvskyen ligner et helt landskab med bjerge og dale, og forklaringen er, at nogle meget varme, blå stjerner, som ikke er med på billedet, med deres stærke udstråling så at sige eroderer skyen væk.
Det er lidt af en balance, for hvis erosionen er for stærk, kan der jo ikke dannes nye stjerner.
På billedet fra James Webb ser vi nydannede stjerner, der tidligere var fuldstændig skjult for vores syn.
Stjernerne skaber med deres stråling bobler og jetter i de skyer af støv og gas, som omgiver stjernerne. De yngste stjerner ses som små, røde prikker i støvskyen. Der ses også nogle strukturer, som vi ikke kan forstå uden en mere detaljeret undersøgelse.
WASP-96b
WASP-96b er en exoplanet godt 1.100 lysår borte. Det er en stor gasplanet af den type, man kalder for en ’hot Jupiter’.
I sin opbygning minder planeten om Jupiter, men hvor ’vores’ Jupiter er kold, så er temperaturen på WASP-96b over 500 grader.
Forklaringen er at planeten kredser meget tæt på sin stjerne med en omløbstid på bare 3½ dag.
Afstanden ind til stjernen er kun 1/9 af afstanden mellem Merkur og Solen, så det er ikke så mærkeligt at planeten er så varm – og det er bestemt ikke en planet, hvor man kan forvente at finde liv.
Skal man sammenligne de to planeter, så er Wasp-96-b 1,2 gange større end Jupiter, men med en masse på kun halvdelen af Jupiters masse.
En lille udregning viser, at massefylden af Wasp 96b kun er omkring 1/3 af Jupiters massefylde, altså kun 0,4 gram/cm3, hvilket er mindre end massefylden for vand.
Den lave massefylde skyldes helt sikkert den høje temperatur, der betyder, at gasserne i planetens indre dermed ’blæses op’ ligesom en varmluftballon.
Planeten udmærker sig ved, at der er fundet natrium i dens atmosfære, hvilket tages som et tegn på, at atmosfæren er ret fri for skyer, da man ellers ikke ville kunne observere spektrallinjen fra natrium.
En skyfri atmosfære giver mulighed for gode spektre, og det er derfor, den blev valgt, selv om der som nævnt næppe er mulighed for liv.
Spektret blev optaget, da planeten passerede hen foran stjernen set fra James Webb.
Det betød, at noget af lyset passerede gennem planetens atmosfære, og resultatet blev da også et udmærket spektrum, som viste, at der ikke bare er natrium, men også vand i atmosfæren.
Målingen skal ses som en test på, hvor gode spektre man kan tage med James Webb.
Southern Ring Nebula
Southern Ring Nebula er en såkaldt planetarisk tåge godt 2.000 lysår borte.
Den er dannet, ved at en døende stjerne har slynget sin atmosfære ud i rummet, og den bevæger sig nu bort med en fart på 15 km/s. Så med tiden vil den planetariske tåge forsvinde.
Solen vil i øvrigt i en fjern fremtid selv blive til en planetarisk tåge.
I centret af tågen har man fundet hele to stjerner, en mindre og en stor stjerne. Tågen stammer fra den mindste stjerne, som er en hvid dværg med en meget høj temperatur. D
et ultraviolette lys fra denne stjerne ioniserer gasserne, så den kommer til at fluorescere. Den større stjerne er i et tidligere stadium af stjerneudviklingen, men i fremtiden vil den formentlig udsende sin egen planetariske tåge.
Tågen var et oplagt mål, hvis man er ude efter et imponerende billede. Faktisk tog James Webb hele to billeder i hvert sit område af det infrarøde spektrum – og de viser, hvordan billedet ændres, når man skifter bølgelængdeområde.
Billederne ser meget forskellige ud, fordi NIRCam og MIRI måler forskellige bølgelængder af lys. NIRCam observerer nær-infrarødt lys, som er tættere på de synlige bølgelængder, vores øjne registrerer. MIRI går længere ind i det infrarøde og opfanger melleminfrarøde bølgelængder.
Bemærk, at vi på billedet til venstre kun kan se den ene af de to stjerner, men at begge stjerner er lette at se på billedet til højre.
Forklaringen er, at stjernen er indhyllet i støv, som ikke trænger godt gennem kortbølget infrarødt lys.
Ved de større bølgelængder, MIRI anvender, kan strålingen fra stjerne godt trænge gennem støvet.
Stefans Kvintet
Stefans Kvintet er navnet på en lille gruppe af fem galakser.
I virkeligheden består gruppen kun af fire galakser godt 290 millioner lysår borte.
Den femte galakse hører slet ikke med, men ses kun rent tilfældigt i samme retning som de fire andre, og den er med en afstand på kun 40 millioner lysår meget tættere på os – men navnet hænger ved.
Det forventes, at de fire galakser engang i fremtiden vil smelte sammen til en stor galakse. Galakserne er allerede nu så tæt på hinanden, at de påvirker hinanden, hvilket stimulerer stjernedannelsen.
Astronomisk set er de fire galakser i ’kvintetten’, som altså er en kvartet, ikke særlig langt borte.
Denne nærhed giver astronomer en enestående mulighed for at undersøge, hvorledes galakser påvirker hinanden.
Stephans kvintet er et fantastisk ’laboratorium’ til at studere disse processer, der er grundlæggende for alle galakser.
Små, kompakte galaksegrupper som Stefans kvintet kan have været mere almindelige i det tidlige univers, og udveksling af gasser mellem galakserne kan have stimuleret dannelsen af store sorte huller.
Selv i dag rummer den øverste galakse i gruppen – NGC 7319 – en aktiv galaktisk kerne, et supermassivt sort hul, der er 24 millioner gange Solens masse.
Det sorte hul opsluger materiale, der opvarmes ved at falde ind mod hullet og derved udsender stråling.
Det lys, som det sorte huls omgivelser sender ud, svarer til lyset fra 40 milliarder Sole.
James Webb går en travl tid i møde
Der er overhovedet ingen tvivl om, at James Webb står over for en meget travl tid.
Der vil være en næsten endeløs række af ønsker og der vil opstå en ventetid på måneder, og måske år, før man får tildelt nogle timer - og i sjældne tilfælde en dag eller mere på teleskopet.
Problemet kendes fra Hubble, så NASA og ESA har efterhånden en vis erfaring.
Der er mange uløste problemer inden for astronomien, så det gælder om at vælge de rigtige opgaver.
Vi forsøger her at give en liste over nogle områder inden for astronomien, hvor der er en god mulighed for, at James Webb kan levere nogle afgørende observationer:
Dannelse af de første stjerner
Man mener, at de allerførste stjerner blev dannet, da universet var mindre end 500 millioner år gammelt, og der er teoretiske grunde til at tro, at disse såkaldte Population III-stjerner var meget større og mere lysstærke end de stjerner, som dannes nu.
Man har dog aldrig direkte observeret Population III-stjerner, men måske kan James Webb klare denne udfordring.
Den kraftige stråling fra disse første stjerner var med til at ionisere gasserne i universet og dermed gøre universet gennemsigtigt.
De første sorte huller og de første galakser
Vi ved også, at både de første sorte huller og de første galakser blev dannet meget tidligt, men hvad kom først?
Der er i hvert fald det problem, at man har fundet sorte huller med en masse på over en milliard solmasser, allerede da universet var bare en milliard år gammelt – og det er meget svært at forklare, hvordan så store sorte huller kunne dannes så tidligt.
James Webb har mulighed for at observere, hvordan og hvor hurtigt de første sorte huller blev dannet, men det er dog ikke sikkert, at det løser problemet, om det var galakser eller sorte huller, som kom først.
Exoplaneter
Da James Webb blev planlagt, kendte man ikke engang til exoplaneter, men nu er de en vigtig opgave at observere for James Webb.
Exoplaneter (planeter udenfor vores solsystem) er meget svære at observere direkte, men det går bedst i infrarødt lys.
Alle exoplaneter er varme, så de udsender en svag infrarød stråling – og infrarøde målinger er jo lige James Webbs spidskompetence.
Det mest lovende er at undersøge atmosfærer omkring exoplaneter, for at se om de indeholder såkaldte ’biosignaturer’ - altså tegn på, at atmosfærens sammensætning kun kan forklares ved biologiske processer.
Det kræver at planeten passerer hen foran sin stjerne, så lyset fra stjernen kan blive absorberet af atmosfæren – samt et pokkers godt spektroskop.
Det kan James Webb levere, og et af de første stjernesystemer, man vil observere, er Trappist-systemet bare 40 lysår borte.
Her er der hele syv planeter, som kredser om en lille rød dværgstjerne, og hvis bare nogle af disse planeter har atmosfærer, er her mulighed for nogle gode observationer.
Danske forskere fra DTU Space er med i disse undersøgelser, der ledes af professor Lars A. Buchhave. Her vil man specielt undersøge planeten Trappist 1c, der er på størrelse med Jorden. Han siger selv:
»Disse observationer vil signalere begyndelsen på en ny æra i karakteriseringen af jordlignende exoplaneter og vil kunne fortælle os, hvor forskellige miljøerne på de jordlignende planeter uden for vores solsystem er. Vi skal nok kunne sige noget om, om de kan være beboelige. Det kan også bane vejen for opdagelsen af biosignaturer, dvs. tegn på liv i atmosfæren på exoplaneter.«
\ 3 hurtige om James Webb-teleskopet
- James Webb Space Telescope, der er i bane 1,5 mio kilometer fra Jorden, blev opsendt 25. december 2021.
- James Webb, der ofte betegnes som Hubble-teleskopets afløser, har et rekordstort spejl med en diameter på ikke mindre end 6,5 meter. Til sammenligning er Hubbles spejl 2,4 meter stort.
- Modsat Hubble kan James Webb desuden opfange det infrarøde lys fra universets nære og fjerne galakser. Det infrarøde lys er nøglen til at blive klogere på, hvordan universet tog sin begyndelse.
Hvor kommer vandet fra?
Jorden burde være knastør, fordi den er dannet så tæt på Solen, at den er indenfor den såkaldte ’snelinje’.
Uden for snelinjen er temperaturen så lav, at vand kan findes som is eller sne, men inden for snelinjen kun som vanddamp. Men her vil trykket fra sollyset blæse vanddampen væk ud på den anden side af snelinjen – så hvor kommer Jordens vand fra?
Det kommer temmelig sikkert fra det ydre solsystem, hvor der er masser af is, men man ved ikke med sikkerhed, hvordan det er kommet helt ind til Jorden.
Den bedste teori er, at de store planeter som Jupiter har sendt små, isfyldte asteroider ind mod det indre solsystem.
Med James Webb vil man søge at følge denne proces i systemer af unge exoplaneter, hvor der stadig sendes asteroider ind mod det indre planetsystem.
Solsystemet
James Webb skal ikke udelukkende beskæftige sig med det fjerne univers, men også med vores eget solsystem.
Her er der flere vigtige opgaver og for at nævne bare en enkelt, så kan Webb let holde øje med vejret på Uranus og Neptun.
Det er planeter, vi ved meget lidt om, og som kun en gang for meget længe siden har haft besøg af en rumsonde, nemlig Voyager 2.
Kan vi følge vejret på disse fjerne planeter, er det første skridt taget til bedre at forstå de processer, som foregår i de dybe og tætte atmosfærer, som omgiver de to planeter. Webb kan tage næsten lige så gode billeder som en rumsonde.
Et andet område, man gerne vil overvåge, er den vulkanske virksomhed på Jupiters måne Io, ligesom man gerne vil følge vejret på Jupiter.
Det er noget af en udfordring, fordi instrumenterne på James Webb næsten er alt for følsomme til at observere en så lysstærk planet som Jupiter og dens vulkanske måne.
Det store puslespil
Det er klart, at astronomerne er meget begejstrede for James Webb-teleskopet, og det vil nok også i de kommende år blive astronomiens flagskib – ligesom Hubble var det i sin tid.
Men sandheden er, at intet enkelt teleskop nogensinde kan løse alle universets gåder.
At søge at forstå vores univers er som at lægge et stort puslespil, hvor vi kun aner det billede, som det samlede puslespil vil danne, når – og hvis – det nogensinde bliver færdigt.
James Webb kan bidrage med mange brikker, men universet er stort. Der er mange sider af universet, vi kun kan undersøge, hvis vi bruger andre teleskoper og andre instrumenter end dem, som James Webb er udstyret med.
Lad os tage bare et par eksempler:
De korte radioglimt
Et gådefuldt fænomen, hvor der udsendes ultrakorte radioglimt med en varighed på millisekunder med en enorm energi.
Typisk indeholder et sådant radioglimt lige så meget energi, som Solen udsender på tre eller flere dage.
Vi forstår meget lidt om disse radioglimt, der kun kan undersøges med radioteleskoper.
Man skal have tålmodighed til at vente på et glimt på måske bare 10 mikrosekunder, og man skal undersøge, om en og samme kilde kan udsende flere glimt efter hinanden.
Det, ved vi nu, er tilfældet, men vi forstår ikke mekanismen bag.
Røntgen-astronomi
Mange astronomiske kilder som galaksehobe, sorte huller, neutronstjerner med flere udsender en kraftig røntgenstråling.
Røntgenstrålingen opstår ofte, når gasmasser suges ind mod et sort hul eller en neutronstjerne og derved varmes meget op.
Derfor er det meget vigtigt at kunne foretage præcise målinger af røntgenstrålingen for at undersøge, hvordan, hvor meget og hvor hurtigt sorte huller og neutronstjerner opsluger stof.
Røntgenstråling fra galaksehobe kommer fra meget varm gas mellem galakserne, og disse gasmasser er så store, at de må have betydning for, hvordan de enkelte galakser udvikler sig.
Tyngdebølger
Når sorte huller eller neutronstjerner kolliderer, udsendes der tyngdebølger gennem rummet, ganske som forudsagt af Einstein.
De er blevet et vigtigt forskningsemne, men kræver enorme observatorier her på Jorden – og måske senere ude i rummet. Også dette område er lukket land for James Webb.
En af de måder, man måske vil jagte sorte huller på, er ved at have tre satellitter, hvor man helt præcist kender deres indbyrdes afstand.
Hvis en tyngdebølge passerer gennem solsystemet, vil det få afstanden mellem satellitterne til at ændre sig en ganske lille smule
James Webb kan ikke give det store overblik
James Webb er fantastisk til at studere et lille område i detaljer, men teleskopet har ikke noget stort synsfelt, og det kan nogle gange være vigtigt for at få det store overblik.
Et eksempel er den Europæiske satellit GAIA, der er i stand til at producere kort over udvalgte områder af Mælkevejen.
Disse kort har vist, både hvordan stjernerne bevæger sig i Mælkevejen, og hvordan den kemiske sammensætning af stjernerne er afhængig af, hvor i Mælkevejen man befinder sig.
Sådanne oversigter er utroligt vigtige for at forstå Mælkevejens opbygning og udvikling.
Det er også meget vigtigt hele tiden at overvåge hele himlen, for at se om der dukker noget uventet op. Denne opgave kræver teleskoper med et meget stort synsfelt.
Hidtil er opgaven klaret af teleskoper her på Jorden, men med tiden vil i hvert fald noget af denne overvågning flytte ud i rummet.
Webb kan ikke stå alene
Alt dette er naturligvis ingen kritik af James Webb, men skal blot understrege, at grundlaget for den moderne astronomi er et omfattende samarbejde, hvor man hele tiden udveksler oplysninger.
Det gør det muligt hurtigt at følge op på opdagelser, og det vil også ske for James Webb.
Hvis Webb observerer noget mærkeligt eller usædvanligt, vil både de store observatorier her på Jorden og rumobservatorier søge at skaffe ekstra data.
Her må man slet ikke undervurdere de store observatorier som Keck på Hawaii og VLT i Chile, som er topmoderne, og endda til en vis grad kan ophæve virkningen af Jordens urolige atmosfære, så der kan tages utroligt skarpe billeder.
Deres store fordel er, at de ofte kan reagere hurtigere end observatorier ude i rummet.
Skal vi give den måske bedste betegnelse for James Webb, så må det være det latinske udtryk: ’Primus Inter Pares’ – først blandt ligemænd.
Webb er et fyrtårn, men det kan ikke stå alene. Der vil hele tiden være brug for andre typer teleskoper, ikke mindst for at kunne følge op på de målinger, som kommer fra James Webb.
Så i sidste ende vil man vurdere James Webb ud fra, om det var med til at sætte en nødvendig udvikling i gang med en konstant opsendelse af nye rumteleskoper, eller om det blev ’en enlig svale’.
