James Webb er kun begyndelsen: Fremtiden for rumteleskoper står på spil
Resultaterne fra James Webb-teleskopets opdagelser vil sætte retningen for astronomien årtier frem i tiden.
Stub James Webb rumteleskoper

James Webb-rumteleskopet er på vej mod sin endelige bane, og i den anledning kigger Videnskab.dk's faste rumskribenter, Henrik og Helle Stub, mod fremtiden og forklarer, hvad teleskopet kan hjælpe os med at lære om universet. (Illustration: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez).

James Webb-rumteleskopet er på vej mod sin endelige bane, og i den anledning kigger Videnskab.dk's faste rumskribenter, Henrik og Helle Stub, mod fremtiden og forklarer, hvad teleskopet kan hjælpe os med at lære om universet. (Illustration: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez).

Nu, hvor James Webb-rumteleskopet er på vej mod sin endelige bane, vil vi se på, hvad der venter forude – for på mange måder kan man opfatte James Webb som begyndelsen på en ny tid for astronomien.

Når man engang vil skrive historien om James Webb, så er det vigtigt at fortælle, at dette teleskop kun er ét i en lang række af rumobservatorier, der i de sidste 40 år har været med til at forme det moderne verdensbillede.

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'.

Nogle er meget lidt kendte, andre som James Webb er med det samme blevet superstjerner.

Hvad, James Webb skal bedømmes på, er, hvordan teleskopet fører til nye rumteleskoper, der bliver bygget som et resultat af opdagelserne fra James Webb.

For Webb kan naturligvis ikke alene løse universets gåder, men den kan være med til at sætte retningen for astronomien mange årtier ude i frem tiden.

Som vi skal se, har NASA allerede mange planer parate, men om de bliver til noget, afhænger af Webb.

For hvis dette over 10 milliarder dollar dyre rumteleskop ikke lever op til forventningerne, vil det blive vanskeligt, for ikke at sige umuligt, at få penge til nye og endnu større rumteleskoper.

Men inden vi ser på fremtiden, så først lidt om, hvilke instrumenter James Webb medfører og det observationsprogram, som er lagt.

James Webb skal måle spektre

James Webb kommer naturligvis til at tage billeder, som vil blive vist, både på nettet og i alle astronomiske tidsskrifter.

Det bliver det, vi hører om, men i virkeligheden er billeder ikke den vigtigste opgave.

Det er i stedet at tage spektre, så man nøje kan undersøge, hvilke grundstoffer der findes i de galakser og stjerner, som James Webb undersøger.

For at forstå instrumenterne er det vigtigt at kende bølgelængderne for synligt lys.

Gaia sonde

Nogle rumteleskoper som det europæiske Gaia tager ikke engang billeder, men sørger i stedet for præcist at måle positioner, bevægelse og afstande til op mod en milliard stjerner. Det er næsten 1% af de stjerner, som findes i Mælkevejen. (Illustration: ESA–D. Ducros).

Man anvender normalt enheden nanometer (nm), og det synlige lys har bølgelængder mellem godt 400 og 700 nm.

Blåt lys har de mindste bølgelængder og rødt lys de største bølgelængder. Lys med større bølgelængder end 700 nm er infrarødt lys, som er usynligt for øjet.

Den stråling, der opfanges af teleskopets 6,5 meter store spejl, sendes videre til fire instrumenter, nemlig to kameraer og to spektrografer.

Et kamera og en spektrograf tager sig af bølgelængeområdet 600-5.000 nm, der kaldes for Near-Infrared.

Tilsvarende er der et kamera og en spektrograf, som tager sig af området 5.000-29.000 nm, kaldet Mid-Infrared

Der er en god grund til, at disse bølgelængdeområder er blevet valgt, og det har noget at gøre med universets udvidelse.

Bølgelængden for lys, som blev udsendt af stjerner og galakser lige efter Big Bang, er blevet ’strakt’ på grund af universets udvidelse siden da.

Astronomerne vil se de første stjerner

Går vi tilbage til dengang, de første stjerner og galakser blev dannet for over 13 milliarder år siden, så var det unge univers fyldt med meget varme og lysstærke stjerner.

Man mener, at de allerførste stjerner har været meget større end Solen, med en masse på måske helt op til 1.000 gange Solens masse.

De har alene bestået af brint og helium, da de tungere grundstoffer endnu ikke var dannet.

Disse stjerner – i fagsproget kaldet Population III-stjerner – har kun levet et par millioner år, inden de eksploderede, men inden da dannede de mange af de grundstoffer, som universet i dag består af.

James Webb Teleskop

Et par uger før James Webb blev det lille røntgen teleskop IXPS opsendt, uden at nogen lagde mærke til det. Men selv om det ikke er James Webb, så kan det løse mange gåder, som James Webb ikke kan. Astronomien har brug for mange forskellige observatorier, både store og små, der kan observere alt fra infrarødt lys til gammastråling. (Illustration: NASA).

Og i den korte tid, de levede, har de oplyst universet med kortbølget ultraviolet lys med bølgelængder på under 100 nm.

Er der noget, astronomerne ønsker, så er det at se disse allerførste Population III-stjerner.

Teoretisk bør de være der, men de er endnu ikke observeret.

James Webb kan bane vejen for at observere Population III-stjerner

Situationen minder meget om jagten på Higgs-bosonen. Den var også forudsagt teoretisk allerede i 1964, men blev først observeret i 2012, efter den nødvendige teknik var udviklet på CERN-laboratoriet i Schweiz.

Med James Webb håber man nu, at den nødvendige teknik til at observere Population III-stjerner er til stede, og det skyldes, at teleskopet kan observere universet, da det var under en milliard år gammelt. Man håber endda at komme så tæt på Big Bang som 250 millioner år.

Og her er det, bølgelængderne kommer ind i billedet. Siden Big Bang har universet jo udvidet sig, og da det var en milliard år gammelt, var det 10 gange mindre end nu.

Det betyder, at vi modtager alt lys fra dengang med en 10 gange større bølgelængde end den bølgelængde, som lyset blev udsendt med.

På grund af universets udvidelse vil vi altså se lyset fra de varme, blå Population III-stjerner langt ude i det infrarøde område med en bølgelængde på mindst 1.000 nm.

Hvis stjernerne blev dannet tættere på Big Bang, har universet ikke udvidet sig bare 10 gange, men endnu mere siden stjernens dannelse.

Hvis det er tilfældet, vil vi modtage lyset med en bølgelængde på måske flere tusinde nm.

Så for at se universets begyndelse er det simpelthen nødvendigt at observere i infrarødt lys.

Men infrarødt lys har også andre fordele, nemlig at det kan trænge gennem de skyer af gas og støv, der i det synlige område skjuler dannelsen af nye stjerner – og den egenskab vil også blive udnyttet.

James Webb skal hjælpe fem hovedområder af astronomien

James Webb får travlt, for der er ikke mindre end fem hovedområder af astronomien, hvor man har brug for data fra det nye teleskop.

Her er en kort oversigt over de fem største områder:

1. Dannelsen af de første stjerner og galakser.

Med Hubble kan vi ikke gå meget længere tilbage end 5-800 millioner år efter Big Bang, og inden den tid kan der være sket en masse.

Hubble-teleskopet

De store rumteleskopers tid begyndte med Hubble, som i øvrigt stadig virker. (Foto: STS-82 CrewSTScINASA).

Med James Webb skulle det være muligt at se helt tilbage til måske 250 millioner år efter Big Bang, og den forskel vil virkelig lære os noget om, hvordan de første stjerner og galakser er dannet.

At se Population III-stjerner og de allerførste galakser vil næsten svare til dengang, man fandt Higgs-bosonen.

2. Den kemiske udvikling af universet

Lige efter Big Bang bestod universet kun af brint, helium og en ganske lille smule litium. James Webb kan tage gode og detaljerede spektre af stjerner og galakser, som er dannet gennem det meste af universets historie.

Det betyder, at vi nu kan følge, hvordan grundstofferne gradvist er blevet dannet i stjernerne over en periode på mere end 13 milliarder år.

3. Observere dannelse af nye stjerner

Det har altid været et stort problem for astronomerne, at nye stjerner dannes i store skyer af gas og støv.

Disse skyer har gjort det meget vanskeligt at observere selve stjernedannelsen. Men med sit infrarøde syn kan James Webb trænge gennem skyerne.

I vores egen Mælkevej og i nærliggende galakser vil vi kunne se mange flere detaljer, og teleskopet gør det også muligt at se, hvordan stjernedannelsen er foregået, endda i meget fjerne galakser for mange milliarder år siden.

4. Det ydre solsystem

James Webb vil heller ikke glemme det ydre solsystem. Her skal der optages spektre af en lang række meget kolde iskloder i Kuiperbæltet.

De meget detaljerede infrarøde spektre vil vise, om der er molekyler baseret på kulstof (’organiske molekyler’), ligesom man også vil lede efter andre typer molekyler.

5. Exoplaneter

Da James Webb blev planlagt, kendte man næsten intet til exoplaneter, så teleskopet var fra starten ikke bygget til netop denne type observationer. Men heldigvis har man kunnet nå at justere en smule på et af instrumenterne, så det bliver lettere at observere en exoplanet.

Chandra teleskop

Mange rumteleskoper er meget specialiserede, som for eksempel Chandra, der udelukkende observerer universet i røntgenområdet. (Illustration: NASA/CXC/NGST).

Justeringen har bestået i, at man har udstyret det ene af de fire instrumenter, nemlig det såkaldte Near Infrared Camera (NIRCAM), med en koronagraf. Koronagrafen blokerer lyset fra selve stjernen, så man bedre kan observere de planeter, der eventuelt kredser om stjernen.

Også her er det en stor fordel, at James Webb observerer i infrarødt. Ser vi bort fra de mindste og koldeste stjerner, udsender stjerner nemlig meget mere synligt lys end infrarødt lys. I det infrarøde område vil lyset fra en exoplanet derfor ikke så let kunne drukne i lyset fra stjernen.

Lige så vigtigt er det, at James Webb åbner mulighed for at optage meget detaljerede spektre af exoplaneter, og især deres atmosfærer, naturligvis med det formål at undersøge, om der er molekyler, som kan tyde på liv.

Mange af de spektrallinjer, man er interesseret i, findes netop i det infrarøde område, hvilket jo netop er det område, hvor spektrograferne på James Webb observerer.

Hvad kommer efter James Webb?

Som vi skrev i indledningen, hører fremtidens rumteleskoper også med til historien om James Webb.

Hvilke rumteleskoper, vi vælger at bygge i de næste 20-30 år, vil i høj grad afhænge af, hvordan James Webb klarer sig.

Teleskopet har nemlig med sine mange forsinkelser og enorme budgetoverskridelser sat fokus på, hvor mange penge det koster at bygge et rumteleskop. Går noget galt, kan det blive uhyre vanskeligt at få penge til nye store projekter.

Nye projekter er nødvendige, fordi James Webb naturligvis ikke kan løse alle universets gåder, men alene gøre det muligt at formulere de spørgsmål, som fremtidens rumteleskoper skal søge at besvare.

For at kunne kaldes et helt vellykket projekt skal James Webb blot være det første i en serie af nye teleskoper, der alle har det tilfælles, at de både er større og mere kostbare end James Webb.

Ved bogstavelig talt at lægge alle æg i den ene kurv, som hedder James Webb, løber den rumbaserede astronomi en betydelig risiko for at kunne gå i stå. Derfor kan man godt argumentere for, at det måske ville have været bedre med en langsommere udvikling med flere mindre og ikke så kostbare teleskoper, hvor et enkelt uheld ikke vil få alt for store konsekvenser.

De fem efterfølgere til James Webb

Men lad os nu følge NASA og regne med, at alt går godt, og at opdagelserne er så spændende, at kongressen i USA, ESA i Europa, og måske også Canada og Japan, vil bevilge penge til nye store projekter.

Her er fem kandidater – men der kan komme flere til:

1. Nancy Grace Roman teleskopet

Dette teleskop - opkaldt efter Nancy Grace Roman, NASA's første chefastronom - blev oprindeligt kaldt Wide-Field Infrared Space Telescope eller WFIRST. Formålet er at kortlægge store dele af universet for at studere mørk energi.

Teleskopet forventes at blive opsendt i 2027 og det skal, ved at undersøge millioner af galakser, opbygge et kort over vores astronomiske nabolag.

Det infrarøde Nancy Grace teleskop

Det infrarøde Nancy Grace teleskop. (Illustration: NASA).

Astronomerne håber her på, at fordelingen af galakser vil kunne give os oplysninger om den såkaldte mørke energi.

Som en bonus vil instrumentet også bruge metoden gravitationel mikrolinsing – der måler små ændringer i baggrundsstjernelys, som kan afsløre eksistensen af exoplaneter – og på denne måde måske opdage millioner af nye exoplaneter.

2. LUVOIR

LUVOIR er et akronym for Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor. Det kommer i nogen grad til at ligne James Webb, men det skal have et spejl på ikke mindre en 15 meter.

Til sammenligning har James Webb et hovedspejl, der er 6,5 meter fra ende til anden, og Hubble-teleskopets spejl 2,4 meter i diameter.

LUVOIR er endnu kun et forslag, og selv om det vedtages, kommer det næppe op før 2030'erne.

LUVOIR

LUVOIR minder en del om James Webb, bortset fra at det har et væsentligt større spejl – og også dækker nogle andre bølgelængdeområder. (Illustration: NASA/Goddard Space Flight Center).

Man bemærker, at det ligesom Hubble observerer i mange forskellige bølgelængdeområder, og det betyder, at teleskopet kan løse mange forskellige opgaver, lige fra at observere storme og vejret på de store ydre planeter til at lede efter biosignaturer i atmosfæren på exoplaneter.

3. HabEx

NASA er som bekendt meget glad for akronymer, og det næste rumteleskop er ingen undtagelse. HabEx står nemlig for Habitable Exoplanet Imaging Mission. Her fortæller navnet ganske præcist, hvad det er, man vil, nemlig at tage billeder af beboelige exoplaneter.

Det er bestemt ikke nogen simpel opgave at tage billeder af en planet, der måske er på størrelse med Jorden, men ligger mange lysår borte.

I videoen kan du se, hvordan HabEx skal udforske exoplaneter. (Video: JPLraw).

Det største problem er, at planeten simpelthen vil drukne i lyset fra stjernen, men det vil HabEx søge at løse, ved at der foran selve teleskopet svæver en skive, som lige præcis skygger for stjernen.

Ud over billeder skal man også have helst ret detaljerede spektre af atmosfæren, fordi det er her, vi har bedst mulighed for at finde biosignaturer som for eksempel ilt.

HabEx er også kun i den meget tidlige designfase, og hvis den bliver vedtaget, bliver den næppe opsendt før perioden 2035-2040

4. LISA

LISA, der står for Laser Interferometer Space Antenna, er et fælles europæisk-amerikansk projekt ledet af det Europæiske rumagentur ESA.

LISA bølger

LISA skal måle tyngdebølger ved at måle, hvordan bølgerne får afstanden mellem de tre satellitter til at ændre sig. (Illustration: NASA).

Man skal opsende tre satellitter i bane om Solen, og de skal holde en meget præcis indbyrdes afstand på 2,5 millioner km.

Hvis en tyngdebølge passerer gennem Solsystemet, vil man kunne måle det ved en kortvarig og meget lille ændring af afstanden mellem satellitterne. Opsendelsen er planlagt til 2034.

5. DARE

Med teleskopet DARE søger NASA at gå tilbage til en tid, før de første stjerner blev dannet. Det var i sandhed ’The Dark Age’ for universet, som dengang bare bestod af en blanding af brint og helium – men der var mørkt, fordi disse skyer endnu ikke var begyndt at danne stjerner.

Siden den mørke tid fra tiden cirka 80 – 420 millioner år efter Big Bang og frem til nu er universet blevet omkring 10-35 gange større, og det skal DARE udnytte. DARE står i øvrigt for Dark Ages Radio Explorer.

Brintskyerne udsendte stråling med en bølgelængde på 21 cm, og når denne stråling er nået frem til os, er det med en bølgelængde i meter området. Det er netop denne stråling, DARE vil lytte efter.

DARE rumfart

DARE skal fra en bane om Månen udforske universet - og en tid hvor de første stjerner endnu ikke var dannet. (Illustration: University of Colorado).

Det bliver fra en bane omkring Månen, fordi Månens bagside er det eneste sted i Solsystemet, hvor man kan slippe for den megen radiostøj fra Jordens mange radiostationer.

Så DARE vil kun lytte efter den ufatteligt svage radiostøj fra universets begyndelse, når den flyver hen over Månens bagside.

Der er tale om et forholdsvis lille og simpelt rumteleskop på kun 1,2 ton, og som derfor ikke er alt for dyrt.

Grundlæggende er DARE blot en stor antenne anbragt ude i rummet, og netop det, at økonomien er til at overskue, øger dets mulighed for at blive til virkelighed.

Men af de fem her nævnte projekter vil sikkert kun 1-2 blive til virkelighed, og det også kun, hvis James Webb viser, at de over 10 milliarder dollars, som er blevet skudt i projektet, er givet godt ud. Så der er mange grunde til at følge, hvordan James Webb vil klare sig.

Vi skal være tålmodige

Der går dog nogle måneder, før observationerne kan begynde engang til sommer.

Det er nemlig ikke nok at nå ud til det andet Lagrangepunkt (punkter i rummet, hvor objekter kan ligge i ligevægt) 1,5 millioner km fra Jorden, hvilket sker i slutningen af januar.

For når James Webb er nået frem til L2, begynder en omfattende afprøvning af instrumenterne og ikke mindst spejlet.

Den store udfordring er, at spejlet har været foldet sammen, og det vil tage en pæn lang tid at sikre, at det er foldet ud til den helt korrekte form.

Hvert primært spejlsegment og Webbs sekundære spejl kan justeres via seks aktuatorer, og det vil tage dage, måske uger, med stor omhu at justere hvert segment for at danne et sammenhængende spejlsystem – og først da kan man begynde at observere.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte, døde og vaccinationer i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om, hvorfor denne 'sort hul'-illusion narrer din hjerne.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk


Det sker