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.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen ‘Det levende Univers‘ og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet ‘Stubberne’.
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 exoplaneter
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. Skal placeres i Chile. Har syv spejle på hver 8 meter
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.
\ Ved Jorden at blive
Når man taler om fremtidens astronomi, er det naturligt at tænke på rumobservatorier. Men de er meget dyre og kan slet ikke klare det store behov for observationer.
Med en teknik, hvor man kan modvirke lufturoen ved lynhurtigt at justere på spejlets form, kan jordiske teleskoper godt konkurrere med rumteleskoper med hensyn til at tage skarpe billeder af meget fjerne galakser.
De største observatorier på Jorden, der er anbragt i de mest øde ørkener, meget langt fra byens lys, har indtil nu vist, at jordbaseret astronomi stadig har en fremtid for sig. Derfor er man begyndt at bygge observatorier med spejle på op til 39 meter, altså langt større end noget, vi kan opsende de næste mange år.
Men der er kommet et problem, nemlig de mange nye internetsatellitter som Starlink, der i øvrigt ikke er det eneste projekt af denne art. Der er allerede tusinder af den slags satellitter ude i rummet, og inden 2030 skal dette tal måles i titusinder. De bliver også større, så de tilbagekaster mere lys, så problemet bliver hurtigt værre.
200.000 billeder om året
Allerede nu er der et eksempel på, at et helt nyt og meget moderne observatorium i Chile måske aldrig kommer til at fungere helt efter hensigten. Det er det såkaldte Vera C. Rubin observatorium, der skal begynde at observere måske allerede senere i år.
Teleskopet er opkaldt efter astronomen Vera C. Rubin (1928-2016), der især er kendt for sit banebrydende arbejde med at kortlægge mørkt stof i galakser.
Det er et observatorium, der skal løse en meget vigtig opgave, nemlig at fotografere det meste af himlen med tre dages mellemrum og det med en opløsningsevne, der svarer til at se en golfbold på Månen. Det kræver både et meget stort spejl og et meget stort synsfelt. Spejlet er med sine 8,4 meter også ret stort, og synsfeltet dækker et areal på himlen, der er omkring 40 gange større end Månen.
Med Vera Rubin skulle det være muligt at holde øje med kortvarige fænomener på stjernehimlen, samt kortlægge og finde tusinder af asteroider og fjerne Kuiperkloder uden for Neptuns bane (Pluto er en Kuiperklode).
Der skal tages 200.000 billeder om året, og man vil være opmærksom på alt, hvad der dukker op og forsvinder – måske allerede på det næste billede som er taget tre dage senere. Det kan være variable eller pulserende stjerner, stjerner som opsluges af et sort hul, formørkelser, novaudbrud og meget andet.
Internetsatelliter laver ‘striber’
Det kræver et ganske særligt teleskop sådan at holde øje med hele himlen og ikke bare observere en enkelt stjerne eller galakse uden at opdage alt det andet, som også foregår på himlen. Derfor har teleskopet et 3.200 Megapixel kamera, godt 270 gange større end et normalt 12 megapixel kamera i en smartphone.
Der er dog den risiko, at man aldrig kommer til at tage alle de billeder, man ønsker. Årsagen skal søges i de utallige internetsatellitter, der vil blive opsendt de kommende år – stadig større og stadig mere lysstærke.
En mulig løsning er at opdatere de algoritmer, der planlægger optagelserne, så teleskopet automatisk undgår steder på himlen med høje koncentrationer af satellitter. Simulationer har vist, at det er muligt at halvere antallet satellitstriber, hvis man giver afkald på 10 procent af observationstiden.
Endnu er det måske ikke nødvendigt, men det kan meget hurtigt blive tilfældet, efterhånden som antallet af satellitter stiger, så vi måske ender med, at der er striber på måske 10- 30 procent af billederne. Og hvis vi i løbet af de næste 10 år ender med, at måske flertallet af billeder skal renses, så får Vera Rubin et meget stort problem.
Enorme teleskoper
De tre andre store teleskoper er alle under bygning og forventes at blive taget i brug 2027- 2030.
- 39 meter ’Extremely Large Tescope’ (ELT)
- 30 meter teleskopet
- Magellan
Fælles for disse meget store teleskoper er, at de ikke skal skanne store dele af himlen. De studerer i stedet et lille område meget detaljeret, og det kræver ikke et stort synsfelt.
Således kan nævnes at synsfeltet for ELT kun dækker et areal omkring 10 procent det areal, Månen dækker på himlen. Derfor vil de i første omgang ikke blive så generet af satellitter. Vi har også brug for disse store teleskoper, for selv om de skal se gennem Jordens urolige atmosfære, kan de tage billeder skarpere end selv Hubble.
Det sker med en teknik, der hedder adaptiv optik, hvor man hele tiden justerer spejlets form efter lufturoen i atmosfæren over observatoriet. Det sker undertiden ved at lyse op i atmosfæren med laserstråler og på den måde skabe nogle klare, kunstige ’stjerner’. Ved at observere disse stjerner kan man måle lufturoen og på den måde justere spejlets form, så virkningen af lufturoen ophæves, og man kan få lige så skarpe billeder som fra rumteleskoper.
Disse enorme teleskoper kan observere selv de fjerneste galakser og det helt unge univers, og på den måde i høj grad supplere målingerne fra rummet.
Endelig må vi ikke glemme de mange mindre teleskoper rundt omkring på Jorden. De kan slet ikke undværes, da langt de fleste observationer i en overskuelig fremtid vil blive foretaget her fra Jorden.
At bevare nattehimlen for astronomien vil blive et helt centralt problem for astronomer verden over. Al respekt for de store teleskoper ude i rummet, men de repræsenterer stadig kun ’toppen af isbjerget’ for astronomien.
