Opdatering: Opsendelsen af teleskopet er flyttet til 25. december. Tidspunktet er rettet i artiklen. Se opsendelsen live her.
Når det nye rumteleskop James Webb efter planen bliver sendt op 25. december, står danske forskere på spring for at styre, hvorhen i universet det skal kigge.
Forskerne, der er fra Aarhus Universitet, DTU Space og Københavns Universitet, herunder centrene Cosmic DAWN og DARK, bliver dermed nogle af de første i verden til at undersøge de hidtil fjerneste afkroge af rummet.
Og det er ikke småting, de har fået observationstid til at undersøge.
- Blandt andet kommer de til at kigge langt tilbage i tiden til omkring 200 millioner år efter universets fødsel for at blive klogere på universets første og allertidligste galakser.
- Andre skal observere og forstå supernovaer som målestok for universets udvidelse.
- Derudover bliver atmosfæren omkring en exoplanet på størrelse med Jorden undersøgt.
- Og ikke mindst skal universets første supertunge sorte huller også observeres, for at se hvordan de påvirker de første galakser.
I denne artikel dykker vi ned i de danske forskeres planer med James Webb-teleskopet.
Hvis du vil læse mere om opsendelsen og udstyret, så har Videnskab.dk’s faste rumskribenter Henrik og Helle Stub i øvrigt skrevet en dybdegående artikel om selve teleskopet: 29 dage på kanten: Historien om James Webb-rumteleskopet.
De første galakser
DAWN er et internationalt forskningscenter, som Københavns Universitet og DTU Space har etableret sammen. Forskerne, der er tilknyttet centret, arbejder blandt andet med at blive klogere på, hvordan galakser, stjerner og sorte huller blev til.
For astronomerne på DAWN’s vedkommende kommer observationstiden med James Webb primært til at kredse om galakser.
»Jeg forventer, at de kommer til at se og undersøge de tidligste galakser, der opstod omkring 200 millioner år efter Big Bang,« fortæller Peter Laursen, astrofysiker på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og deltager i DAWN-centret.
Den fjerneste galakse, man indtil videre har observeret, ser vi så langt tilbage i tiden som 400 millioner år efter Big Bang.
Håbet er, at forskerne med James Webb vil kunne kigge helt tilbage til 200 eller måske endda 100 millioner år efter Big Bang, hvor de allerførste galakser er i gang med at blive dannet.
Men selvom forskerne fra DAWN ikke skulle se den allerførste galakse, vil de kunne se nogle af de allerførste galakser i langt større antal og detalje end hidtil.
På den måde vil de blive meget klogere på, hvordan de første galakser har udviklet sig.
Galaksernes udvikling tager i sagens natur rigtig lang tid, så en enkelt galakse ændrer sig ikke det store fra dag til dag.
»Men ved at sammenligne en 'gennemsnits-galakse' fra en hel population af galakser for eksempel 500 millioner år efter Big Bang, med en gennemsnitsgalakse 700 millioner efter Big Bang, og igen 1 milliard år efter Big Bang, kan vi efterhånden danne os et billede af, hvordan galakserne har udviklet sig,« fortæller Peter Laursen.
\ Læs mere
Dybeste foto nogensinde
På holdet af forskere fra DAWN, der skal bruge James Webb til at observere de tidligste galakser, er også Thomas Greve, professor på DTU Space og co-direktør for DAWN-centret.
Da Videnskab.dk taler med ham, kommer han med et meget konkret eksempel på, hvad holdet blandt andet skal tage foto af med James Webb.
Nogle kan måske huske, da NASA med hjælp fra Hubble-teleskopet publicerede 'Hubble Deep Field-fotoet'. Et foto, som revolutionerede den måde, vi tænker om universet på. Det kan du læse om i artiklen Hubble kigger 13 milliarder år tilbage.
»Vi kommer til at tage et billede af det samme område som Hubble Deep Field, og det bliver det dybeste foto nogensinde,« fortæller Thomas Greve.
Hvis alt går efter planen med opsendelsen af James Webb-teleskopet, så forventer Thomas Greve, at vi kan se deres opdaterede ’Deep Field-foto' omkring juli eller august 2022.
Måling af infrarødt lys fra fjerne galakser
Så hvordan fungerer det, at James Webb kan tage fotos, der er så meget mere skarpe og endda af universets yngste galakser?
Det skyldes, at James Webb-teleskopet blandt andet kan opfange bølgelængder af infrarødt lys.
Når lys fra en af de fjerne galakser bevæger sig gennem rummet, bliver bølgelængden langsomt længere, alt efter hvor langt lyset har rejst.
Hvis noget lys fra eksempelvis en fjern galakse starter med at blive sendt ud som ultraviolet lys, så bliver lyset efter nogen tid violet, grønt, rødt og til sidst infrarødt.
»Hele pointen er, at lys fra de fjerneste galakser ligger i de infrarøde bølgelængdeområder. Og det får vi mulighed for at opfange med det nye James Webb-teleskop,« afslutter Peter Laursen.
Supernovaer, kosmisk støv og universets ekspansion
Fra universets første galakser og til supernovaer, der gør os klogere på universet ekspansion.
Videnskab.dk har konsulteret astronom Maximilian Stritzinger, lektor på Institut for Astronomi og Fysik, Aarhus Universitet, for at høre, hvad han og hans kolleger skal observere.
Overordnet skal de blive klogere på to områder i forhold til supernovaer:
- Supernovaer af typen 1a, som man bruger til at angive hastigheden af universets udvikling,
- og det andet område handler om at observere dannelse af kosmisk støv og elementer.
Supernovaer af typen ’1a’ kan man bruge til at fastslå, hvor hurtigt universet udvider sig.
Maximilian Strizinger forklarer til Videnskab.dk, at på trods af 40 års forskning, ved de ikke præcis, hvad der skaber de her type 1a supernovaer. Men de har dog to potentielle eksplosionsmodeller, der forklarer fænomenet.
»Med den nuværende data kan vi ikke finde ud af, hvilken af de to modeller der er bedst.
Så ved at få data fra James Webb kan vi teste de her to hovedmodeller og fastslå, hvilken af modellerne der er bedst,« fortæller Maximilian Strizinger.
Type 1a-supernovaer kan bruges som ’kosmisk målestok'
Når de så finder ud af, hvilken af de to modeller der er den bedste, så vil de kunne bruge type 1a-supernovaer som standardiseret ’kosmisk målestok' (yardstick, red.).
Og hvordan skal man så lige forstå det? Maximillian Strizinger bruger typisk en pædagogisk metafor:
»Jeg forklarer det typisk til mine elever som: Du er nede ved havet og ser et skib, og der er et lys på skibet.
Alt efter hvor lyst og klart det lys er, giver det dig en indikation på, hvor langt væk skibet er. Det er det, vi mener med kosmisk målestok.«
Og det er altså målingen med den her ’kosmiske målestok’, som man i sidste ende kan gøre endnu skarpere, således at man fremover mere præcist kan afgøre, hvor hurtigt universet udvider sig.
James Webb skal observere det kosmiske støv
Det andet område, Maximillian Strizingers hold skal observere, handler om kosmisk støv og grundstoffer.
Kosmisk støv består af molekyler, der er med til at skabe galakser, solsystemer, planeter og i sidste ende liv.
»Med James Webb får vi tid til og mulighed for at blive klogere på de molekyler, der skaber såkaldt støv efter en supernova. Og to: vi kommer til at se på de grundstoffer, der bliver skabt ved en supernova.«
Da universet ikke var særlig gammelt, indeholdt nogle af de allerførste galakser rigtig meget såkaldt kosmisk støv. Hvorfor ved man ikke.
Mange forskere har længe troet, at eksplosioner forårsaget af supernovaer var for kraftfulde, til at der overhovedet skulle kunne komme støv ud af en så ekstrem eksplosion.
Men for nyligt har man imidlertid fundet ud af, at det ikke gør sig gældende.
Maximilian Strizinger vil derfor med deres observationstid finde ud af, om supernovaer skaber mange eller få af de molekyler, støv består af.
»James Webb-teleskopet gør det muligt for os at observere det kosmiske støv, da vi med teleskopet kan opfange særlige vibrationer, der kommer fra det kosmiske støv.«
Udover produktionen af kosmisk støv vil Maximilian Strizinger og hans kolleger nu også kunne observere, hvor i eksplosionen metaller som for eksempel guld bliver produceret.
Observation af atmosfæren på exoplaneten Trappist-1c
»Det er et lille laboratorie af jordlignede planeter,« fortæller Lars Buchhave, der er professor og leder af exoplanet-gruppen på DTU Space, da Videnskab.dk over telefonen bliver klogere på exoplaneter.
Han refererer til Trappist-solsystemet, hvor syv exoplaneter står til at skulle observeres med James Webb.
Lars Buchhave og hans kolleger skal mere præcis observere atmosfæren på planeten Trappist-1c.
»Det vilde er, at vi for første gang kan observere en atmosfære på en planet på størrelse med Jorden. Det er særligt spændende, fordi vi så kan begynde at forstå, hvad deres miljøer og typer af atmosfærer er. Og på et tidspunkt kan vi så begynde at snakke om, om planeterne har de omstændigheder, der skal være til stede, for at der kan være liv på dem.«
Hård konkurrence
Om det er galakser, sorte huller, supernovaer eller exoplaneter, har konkurrencen om at vinde tid til at bruge James Webb været hård.
Man har nemlig været i skarp konkurrence med forskere fra hele verden.
Lars Buchhave og hans kolleger valgte derfor planeten Trappist-1c, da de mente, den ville have bedst chance for at vinde et udbud.
»Vi prøvede at lave så god en ansøgning som muligt, og vi har fået 24 timer til at undersøge Trappist-1c. Nu får vi så muligheden med James Webb til at beskrive Trappist-1c’s karakteristika. Altså hvilken atmosfære er der, og hvad for en temperatur og tryk er der på planeten.«
Og det lader altså til, at fremtiden byder på mere end bare spændende observationer af atmosfæren på den jordlignende klippeplanet.
Man har nemlig aldrig observeret atmosfæren på en planet omkring en anden stjerne.
»Det bliver en ny æra at kortlægge atmosfæretyperne på de her planeter,« fortæller Lars Buchhave.
Atmosfærer kan afsløre mange ting
Ved at beskrive atmosfærers karakteristika såsom temperatur, tryk og hovedbestanddele, kan man for eksempel danne sig et indtryk af, om planetens omstændigheder muliggør, at der kunne være vand til stede.
Det leder videre til, at man i sidste ende kan vurdere, om omstændighederne ligefrem tillader, at man kan forestille sig liv på andre planeter.
»Det vil vi ikke kunne med James Webb, men det er sandsynligt, at vi kommer til at finde ud af, om vi er alene i universet i vores levetid.«
Så hvis nogen kiggede på Jorden med samme instrumenter, ville vi ikke kunne skjule, at vi her.
Andre ude i rummet ville kunne se det, på grund af den specielle atmosfære, vi har her på Jorden.
»Og det vil vi så gøre ved at kigge på andre planeters atmosfære. For at se om der er indikationer for liv. Derfor har næste generationer af teleskoper også til formål at lede efter såkaldte biosignaturer i atmosfæren.
Så kommer man endnu nærmere det helt store svar på, om vi er alene i universet,« afslutter Lars Buchhave.
Sorte huller
Vi fuldender artiklen med rummets sorte huller - de ultrakompakte fænomener, hvor intet, hverken gas, planeter, stjerner eller lys, slipper igennem.
»Vores forskningsprogrammer i James Webb-projektet handler blandt andet om at forstå, hvordan de allerførste supertunge sorte huller vokser, skaber kraftig emission og påvirker deres omgivelser, hvilket har stor betydning for beskaffenheden og udviklingen af de allerførste galakser, der dannes i universet,« fortæller Marianne Vestergaard, professor på DARK-forskningssektionen ved Niels Bohr Institutet
Marianne Vestergaard og hendes kolleger på projektet har udvalgt tre af de mest fjerne kvasarer, der ligger blot 700 millioner år efter Big Bang.
En kvasar, den centrale del af en ung galakse, udsender kraftig stråling, som kan ses på tværs af universet. Energikilden er et tungt sort hul - millioner til milliarder gange så tungt som Solen.
»Vi ved faktisk ikke, hvordan disse sorte huller dannes og vokser sig så store på den korte tid. De gængse fysiske modeller slår ikke til,« fortæller Marianne Vestergaard.
Forskerholdet har opnået tid på James Webb til at studere de sorte huller, og de galakser de bor i, med alle fire instrumenter på teleskopet.
Planen er at observere kvasarerne, deres værtsgalakser og de andre galakser, der måtte være i deres nærhed.
På den måde håber de på at blive klogere på, hvordan de sorte huller og galakserne udvikler sig i hinandens selskab.
»Om galakserne er fuldt udviklede eller er ved at blive opbygget af enten store gasskyer eller mindre galakser – lidt ligesom LEGO-klodser – har stor betydning for forståelsen af, hvordan galakser og deres centrale sorte huller dannes tidligt i universet,« forklarer Marianne Vestergaard.
For et af de helt store spørgsmål omkring sorte huller og galakser er, hvilket af fænomenerne der kom først.
James Webb kan skelne mellem lys fra sorte huller og svagt lys fra stjernerne
Indtil nu har det været svært at afdække stjernelyset i disse fjerne galakser.
Det skyldes, at den stråling, som de sorte huller forårsager, når de sluger gas, lyser så meget op, at lyset fra stjernerne drukner i det, hvis ikke teleskopet har tilstrækkelig stor rumlig opløsning og lysfølsomhed.
Så det vides endnu ikke, hvor mange stjerner galakserne har dannet.
»Derfor har vi brug for observationstid med James Webb. Den har et stort spejl og meget lysfølsomme instrumenter. Det gør, at vi kan skelne mellem det kraftige lys fra området omkring det sorte hul og det svage lys fra stjernerne,« fortæller Marianne Vestergaard.
Ved at skelne lyset håber Marianne Vestergaard at kunne se, om stjernerne i de tidlige galakser ligger i fine baner rundt om centrum af det sorte hul i midten.
Det, sammen med mange andre observationer, skal gøre os klogere på samspillet mellem galakser og sorte huller, og hvilket af fænomenerne der kom først.
