Hvad kommer efter James Webb-rumteleskopet?

Det er kun et år siden Webb-teleskopet blev opsendt, men der planlægges allerede nye store observatorier, både i rummet og på Jorden.

For selv om Webb er et stort skridt frem for astronomien, så er det nødvendigt med mange store teleskoper for at udforske et univers med milliarder af galakser og måske billioner af planeter.

Der kan godt gå 20 år, før der kommer et rumteleskop med et spejl større end Webb, der har et spejl på 6,5 meter. Men det betyder ikke, at astronomerne bare venter.

I de kommende 20 år vil der nemlig blive opsendt mange nye rumteleskoper, og selv om de måske ikke er helt så store som Webb, kan de løse mange vigtige opgaver.

10 teleskoper

Vi har valgt en liste på 10 teleskoper, som vil blive taget i brug i løbet af de næste 20 år. Listen omfatter 6 rumteleskoper og 4 observatorier her på Jorden.

Observatorierne her på Jorden er taget med, fordi de er lige så vigtige for astronomien som rumteleskoper – ikke mindst fordi de kan udstyres med spejle meget større, end det er muligt for et rumteleskop. Der er dog et problem med de planlagte observatorier her på Jorden, men det vender vi tilbage til.

De teleskoper, vi har valgt at omtale, er enten allerede under bygning, eller har en meget stor sandsynlighed for at blive gennemført inden for de næste 20 år, altså frem til omkring 2040.

De seks rumteleskoper er tre europæiske, to amerikanske og et kinesisk:

• Euclid: Europæisk. Skal lede efter mørkt stof
• Xuntian: Et kinesisk teleskop på størrelse med Hubble
• Plato: Europæisk. Skal lede efter exoplaneter.
• Nancy Roman: Amerikansk. Skal udføre forskellige målinger i infrarødt lys.
• Lisa: Europæisk projekt, hvor man vil forsøge at detektere tyngdebølger
• HWO (Habitable Worlds Observatory): Amerikansk teleskop, som skal lede efter beboelige exoplanet

Bortset fra HWO, som først skal op efter 2040, bliver de kommende rumteleskoper mindre end James Webb. Store teleskoper er vigtige, men mange opgaver kan godt løses med mindre teleskoper. Det kan ofte betale sig at ofre pengene på flere mindre teleskoper end på et stort.

De fire teleskoper her på Jorden er allerede ved at blive bygget. På grund af deres enorme spejle kan de på nogle områder levere endnu bedre data end selv Hubble og Webb. Vera Rubin-teleskopet vil blive taget i brug senere i år.

• Vera Rubin-observatoriet med et spejl på 8,4 meter - placeret i Chile
• ELT med et spejl på 39 meter - skal bygges i Chile
• 30 meter-teleskopet - skal bygges på Hawaii
• Giant Magellan-teleskopet - har syv spejle på hver 8 meter - skal placeres i Chile

De tre sidste teleskoper skal tages i brug i perioden 2027-2029, og i virkeligheden kan man sige, at når ELT med sit 39 meter store spejl tages i brug, så er det en begivenhed, der kan sammenlignes med opsendelsen af James Webb.

Opsendes allerede i år

De to næste rumteleskoper skal opsendes allerede i år, og det første bliver sandsynligvis det Europæiske Euclid teleskop, der er planlagt til at blive opsendt til sommer.

Med et spejl på bare 1,2 meter og en vægt på to ton, er det ikke særlig stort, men stort nok til at løse tre meget vigtige opgaver.

• Fordelingen af mørkt stof i universet
• Hvorledes universet har udvidet sig
• Hvad udvidelsen fortæller os om naturen af mørk energi

Fordelingen af mørkt stof undersøges ved at måle, hvorledes massen fra galakser afbøjer lyset, så vi kommer til at se nogle forvrængede billeder af meget fjerne galakser. Denne afbøjning afhænger både af tyngdekraften fra almindeligt stof og mørkt stof og giver derved mulighed for at bestemme fordelingen af det mørke stof

Galakser er normalt samlet i hobe, og fordelingen af disse hobe kan i teorien sige noget om, hvordan den mystiske mørke energi, der får universet til at udvide sig stadig hurtigere, har ændret sig siden Big Bang. Vi vil komme nøjere ind på disse undersøgelser, når Euclid er opsendt

Det næste rumteleskop bliver det kinesiske Xuntian, der efter planen opsendes til december. Det er et teleskop på størrelse med Hubble og med et spejl på to meter. Der er dog to områder, hvor Xuntian adskiller sig fra Hubble.

For det første skal teleskopet opsendes til den samme bane som Tiangong-rumstationen. Her skal teleskopet så flyve i formation med rumstationen, og hvis teleskopet skal repareres eller opdateres, så er det nemt at koble teleskopet til rumstationen.

Det er en meget stor fordel, men da Hubble blev opsendt, havde amerikanerne ikke en rumstation, så de måtte opsende rumfærger for at foretage opgraderinger – og det var dyrt.

For det andet får Xuntian et mere end 300 gange større synsfelt end Hubble, og det vil gøre det muligt at kortlægge op til 40 procent af himlen i løbet af teleskopets forventede levetid på 10 år. Netop kortlægning er blevet en stadig mere vigtig del af astronomien, så her har Xuntian en absolut fordel.

Den kinesiske forsker Lin Ran har sammenlignet synsfeltet for de to teleskoper med, hvordan de to teleskoper vil se en flok får (!). Han sagde ’Hubble ser muligvis et får, men Xuntian vil se tusinder, alle i samme opløsning’. Sådan kan man jo også sige det.

Jagten på exoplaneter

I tidsrammen 2026-2028 er det planen at opsende to nye rumteleskoper, nemlig det europæiske Plato og det amerikanske Nancy Roman-teleskop, der er en ombygget spionsatellit.

Plato er med en vægt på 2,3 ton på størrelse med Euclid . Platos opgave er at lede efter exoplaneter, og til det formål er et enkelt stort teleskop erstattet af ikke mindre end 26 små teleskoper, hver på 0,12 meter. Man kan ikke se så meget med disse små teleskoper, men formålet er nu også bare at måle, hvordan exoplaneter skygger for deres stjerner.

Med de mange små teleskoper får teleskopet et stort synsfelt og dermed en bedre mulighed for at finde mange exoplaneter. Det, man er ude efter i disse år, er et så stort materiale, at vi for alvor kan skabe en statistik over de forskellige typer af exoplaneter.

Det er nemlig i høj grad muligt, at de statistikker, vi har i dag, ikke giver et helt retvisende billede af fordelingen af de forskellige typer planeter. I dag inddeles exoplaneterne i jordlignende, superjorde, samt planeter der ligner Neptun eller Jupiter. Der er temmelig sikkert flere typer – vi må vente og se.

Den type undersøgelser kræver præcise data, og man håber med Plato at kunne bestemme størrelsen af en exoplanet med en nøjagtighed på 3 procent og, suppleret med observationer fra Jorden, også massen med en nøjagtighed på 10 procent.

Fra spionsatellit til teleskop

NASA kommer på banen med Nancy Grace Roman-teleskopet, der er opkaldt efter astronomen af samme navn. Hun levede 1925-2018, og var i mange år den øverste leder af NASAs astronomiske programmer – således kaldes hun ofte for ’Hubble-teleskopets mor’ på grund af sin rolle med at planlægge dette store projekt. I praksis forkortes navnet ofte til Nancy Roman Teleskopet, og det vil også gøre her.

Teleskopet har en interessant fortid, da det er en gave fra National Reconnaissance Office, der har ansvaret for at bygge og udvikle spionsatellitter. De var åbenbart i overskud, så i 2012 forærede de to store satellitter til NASA. I konstruktion ligner de Hubble-teleskopet, så NASA sagde pænt ja tak, og i dag er en af dem så efter en del arbejde blevet til Nancy Roman-teleskopet.

• Nancy Roman har en vægt på godt 4 ton, og det er ligesom Webb et infrarødt teleskop, men det adskiller sig fra Webb på flere områder:
• Nancy Roman har et spejl på 2,4 meter mod Webb teleskopets 6,5 meter store spejl
• Det observerer i et lidt andet bølgelængdeområde end Webb. Webb teleskopets spejl er belagt med guld, fordi guld kan reflektere langbølget infrarødt lys. Nancy Roman skal observere både i synligt lys og mere kortbølget infrarødt lys, så her var det tilstrækkeligt at belægge spejlet med sølv.
• Nancy Roman har et meget stort synsfelt, 100 gange større end Hubbles. Forskellen i synsfelt er helt afgørende, for det giver Nancy Roman mulighed at betragte så store områder af himlen, at man kan danne sig et overblik over fordelingen af galakser i universet, og det er næsten lige så vigtigt som at koncentrere sig om at studere nogle få udvalgte galakser. Det samme gælder for exoplaneter.

Nancy Roman har to instrumenter, der skal løse nogenlunde de samme opgaver som de europæiske Euclid- og Plato-teleskoper, altså studere universets udvikling og lede efter exoplaneter.

Til studiet af exoplaneter har Nancy Roman en såkaldt koronagraf, der blokerer for lyset fra den stjerne, som en exoplanet kredser omkring. Det gør det meget lettere at observere exoplaneten, og man kan på denne måde tage både spektre af en eventuel atmosfære og i enkelte tilfælde også tage billeder af planeten – de vil dog kun vise exoplaneten som en lille lysprik.

Tyngdebølger og beboelige planeter

De to sidste projekter, vi vil omtale, er for tiden planlagt til perioden 2037-2041. Det er langt ude i fremtiden. Tiden vil vise, om de bliver til noget, men vores egen vurdering er, at de har en høj sandsynlighed for at blive gennemført.

Det første projekt hedder LISA, der er en forkortelse for Laser Interferometer Space Antenna. Opgaven er at studere tyngdebølger. Det består af tre satellitter, der skal kredse omkring Solen, mange millioner kilometer fra Jorden. De skal flyve i en slags trekantsformation, hvor der er en satellit i hvert hjørne, og hvor sidelængden i trekanten er 2,5 millioner km.

Konstruktionen af LISA-satellitterne er blevet testet med LISA Pathfinder, der blev opsendt i 2015 og fungerede til 2017. Dette forsøg var helt vellykket.

Skal man meget kort beskrive princippet, så kan man tænke på de tre satellitter som små propper på en helt stille sø. Så længe søen er rolig, er afstanden mellem propperne konstant, men selv de mindste bølger vil få propperne til at bevæge sig, så deres indbyrdes afstand ændres. I relativitetsteoriens beskrivelse af universet svarer søen til selve rummet. Hvis der et sted i universet opstår tyngdebølger, for eksempel fra to neutronstjerner eller sorte huller, som kolliderer, så kommer der – populært sagt – bølger i selve rummet.

Det betyder, at de tre satellitter ændrer deres indbyrdes afstand en ganske lille smule, men målingerne er en stor teknisk udfordring. De tre LISA-satellitter holder hele tiden øje med deres indbyrdes afstand ved hjælp af lasere, og det man måler, er simpelthen ændringer i deres indbyrdes afstand.

Det lyder lettere, end det er, men der er heldigvis god tid til at få styr på teknikken. Man skal nemlig kunne måle forskydninger på mindre end diameteren af et heliumatom over en afstand på en million km – og det er nede i picometer-området, hvor 1 picometer er en trilliontedel af en meter.

Det første billede af en ’Jord 2’?

Det sidste projekt har lige fået et nyt navn, nemlig Habitable Worlds Observatory, forkortet til HWO. Det skal tidligst op i 2041, og HWO bygger på to tidligere projekter, som nu skal slås sammen til et.

Der er meget, som endnu ikke er fastlagt, men stort set regner man med, at HWO vil få en konstruktion omtrent som James Webb. Spejlet skal være stort, sikkert over 10 meter, måske helt op til 15 meter for at få taget nogle gode billeder. Der er to enorme udfordringer:

• HWO skal kunne observere i synligt lys. Da synligt lys har korte bølgelængder, vil det kræve en hidtil uset præcision af spejlet, der sikkert vil blive opbygget af flere mindre spejle efter samme princip James Webb. Det skal slibes med en nøjagtighed, der måles i picometer (10-12 m) og ikke som Webbs spejl med en nøjagtighed, som måles i nanometer (10-9 m)
• Koronagrafen skal blokere for det lys, stjernen udsender, så man kan se det svage lys fra en lille exoplanet tæt på stjernen. Denne koronagraf skal være meget mere effektiv end nogen tidligere koronagraf. Hvor Nancy Romans koronagraf skal kunne blokere for et lys, der er 100 millioner gange stærkere end lyset fra exoplaneten, skal koronagrafen på HWO kunne blokere for lys, der er 10 milliarder gange stærkere end lyset fra exoplaneten (som måske ikke er større end Jorden).

Der er en meget stor interesse for dette projekt, som lige for tiden mangler både et budget og den nødvendige teknik. Det største problem ser ud til at være de enorme budgetoverskridelser, som James Webb projektet blev udsat for.

Adgangsbilletten bliver nok, at man kan overbevise politikerne om, at man denne gang kan holde både budget og tidsfrist. Lykkes det, er der måske kun 20 år, til vi kan se det første billede af en ’Jord 2’, ikke bare som en lysprik men som en lille skive, hvor man kan ane skyer, have og kontinenter – men der er lang vej endnu.