James Webbs første år viser, at rumteleskopet i høj grad lever op til forventningerne, så astronomien vil helt sikkert takket være James Webb gå nogle meget spændende år i møde.
\ James Webb
Rumteleskopet James Webb (JWST), der blev sendt ud i rummet 25. december 2021, afløser det mere end 30 år gamle rumteleskop Hubble som menneskehedens øje i rummet.
JWST´s spejl har en diameter, der er 3 gange større end Hubbles spejl, og dermed bliver JWST verdens største teleskop i rummet.
Allerede få dage efter, at det blev aktiveret i juli 2022, begyndte forskere at opdage tusindvis af nye galakser, fjernere og ældre end nogen andre, der er blevet dokumenteret.
JWST er blevet til i et partnerskab mellem ESA, NASA og Canadian Space Agency.
Nogle af de resultater, vi omtaler her, er blevet præsenteret på en kongres 9.-12. januar i the American Astronomical Society (AAS).
James Webb har mange forskellige opgaver. De største og vigtigste, som vi dykker ned i her, er:
- Universet: Hvordan har det udviklet sig gennem ’den første milliard år’ efter Big Bang
- Galakser: Dannelse, udvikling og fordeling i universet
Det er klart, at det vil tage mange år at komme gennem hele dette program. Det første år er mest gået med at afprøve teleskopet, så det er først nu, at de mere langvarige og dybtgående forskningsprogrammer er ved at komme i gang.
Der kan meget vel gå 10 år eller mere, før vi for alvor kan sige, hvordan James Webb har påvirket astronomien. Men det er helt typisk for alle store videnskabelige programmer, at de tager tid.
I denne artikel kan vi kun omtale nogle få af de mange resultater, men de mere end antyder, at ’the best is yet to come’.
Et godt sted at begynde er gennemgangen af de mange nye resultater om, hvordan universet begyndte at udvikle sig gennem den første milliard år efter Big Bang.
Da universet nu er 13,8 milliarder år gammelt, svarer en milliard år til godt 7 procent af den nuværende alder.
Det unge univers var mørkt
Udforskningen af det helt unge univers er måske den vigtigste opgave for James Webb, da det er i denne periode, de første stjerner og galakser er dannet.
Der er flere gode grunde til, at vi ikke ved så meget om, hvordan universet er begyndt.
I de første godt 380.000 år efter Big Bang var universet simpelthen ikke gennemsigtigt. Protoner, neutroner og elektroner sværmede så tæt rundt mellem hinanden, at det var umuligt for lys og stråling at trænge gennem.
Universet var som en tæt tåge og i øvrigt ret mørkt, fordi de første stjerner endnu ikke var dannet.
Der var dog en varmestråling i det stadig meget varme univers, hvor temperaturen endnu var mange tusinde grader.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I mere end 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
\ Læs mere
Tågen lettede, og atomer dannedes
Først da universet var 380.000 år gammelt, lettede tågen delvist, da universets temperatur var faldet så meget, at de første atomer kunne dannes.
Det skete, da universets temperatur var kommet ned på omkring 3.000 grader; en så lav temperatur, at elektronerne ikke længere kunne svæve frit omkring, men blev bundet til atomkerner af brint og helium.
Det er fra denne tid, at den såkaldte baggrundsstråling stammer, og som kommer til os fra alle retninger på himlen.
Dannelsen af de første atomer af brint og helium fik dog ikke universet til at blive helt gennemsigtigt. Universet blev nu fyldt af brint og helium, og især brinten kunne absorbere en del stråling.
De første stjerner
De næste mange millioner år er kendt som ’den mørke tidsalder’, fordi de første stjerner endnu ikke var dannet. Hvornår og hvordan det skete, er netop en af de ting, som James Webb skal undersøge.
Efter teorien skulle universets første stjerner være de såkaldte population III-stjerner, der er enorme stjerner af ren brint og helium og helt uden de tunge grundstoffer, som først skulle dannes langt senere i stjernerne.
De må være eksploderet som supernovaer, og den kraftige stråling fra eksplosionerne har reioniseret brinten, så elektronerne igen kom til at svæve frit omkring.
Men nu var universet blevet så stort, at den ioniserede brint ikke længere kunne blokere for strålingen på samme måde som i tiden lige efter Big Bang.
Gradvist blev universet mere og mere gennemsigtigt, efterhånden som stadigt mere af brinten blev ioniseret, og det er i denne periode, at ikke bare de første stjerner, men også de første galakser blev dannet.
Der begyndte at komme lys i universet, men hvad der måtte findes af stjerner og galakser, var før Webb næsten umuligt at observere.
Big Bang fandt sted for 13,8 milliarder år siden, og vi taler her om begivenheder, der har fundet sted i løbet af den første milliard år efter Big Bang.
Lyset fra de første stjerner og galakser har derfor været mere end 12 milliarder år undervejs, og på grund af universets udvidelse er lyset desuden stærkt rødforskudt mod det infrarøde område.
\ Rødforskydning
Når lys rejser gennem et univers, som udvider sig, vil lyset selv ‘udvide’ sig:
Dets bølgelængde bliver længere, og dermed bliver dets farve rødere og rødere, jo længere tid det rejser.
Lyset fra de allerfjerneste galakser er rødforskudt helt ud i det meget langbølgede infrarøde lys, hvilket James Webb er designet til at kunne se.
James Webbs forgænger Hubbles bare 2,4 meter store spejl var for lille til at se så fjerne stjerner og galakser ret tydeligt, og desuden kunne Hubble kun i ringe omfang observere infrarødt lys.
James Webb ser på det unge univers
Trods sine begrænsninger viste Hubble, at dannelsen af galakser er begyndt tidligere end forventet.
At man overhovedet kunne se så langt tilbage i tiden skyldes, at man brugte tyngdefeltet fra en stor galaksehob til at afbøje og koncentrere lyset fra de meget fjerne galakser. Men det gjorde det muligt at se længere tilbage i tiden, end Hubble kunne på egen hånd.
Det allerførste billede fra James Webb var da også en ny udgave af et billede fra Hubble, og det var let at se forskellen.
På grund af sit 6,5 meter store spejl kunne James Webb se langt flere galakser end Hubble, og nu så man ikke bare de første galakser som små og utydelige lyspletter. Det var i mange tilfælde muligt at se galaksens form, og det gav nogle uventede resultater.
Galakser blev dannet hurtigt
Webbs målinger har vist, at der eksisterede galakser allerede omkring 300 millioner år efter Big Bang, og at der mellem 500 millioner og 2 milliarder år efter Big Bang allerede var dannet store og endda ret lysstærke galakser. Desuden var procentdelen af spiralgalakser kun lidt mindre end i det ’moderne’ univers.
De meget fjerne galakser viser sig som rødlige buer af lys, fordi lyset er blevet afbøjet af tyngdefeltet fra galaksehoben. Men på James Webbs billeder kunne man se, at der var tale om udviklede galakser, der med deres spiralform godt kunne ligne vores egen Mælkevej.
Det var en stor overraskelse at finde sådanne galakser dannet så tæt på Big Bang. Baseret på Hubbles gamle målinger havde man forventet mest at finde små ’protogalakser’ af uregelmæssig form – det første skridt mod dannelse af ’rigtige’ galakser.
Det, man er mest overrasket over, er ikke at finde spiralgalakser, men at finde så mange af dem. Da det tager tid at danne en spiralgalakse, må de galakser, som Webb har set, derfor være dannet meget hurtigt efter Big Bang.
Hvad der ikke overrasker er, at disse meget tidlige spiralgalakser ikke er så ’pæne’ som vores Mælkevej. De er simpelthen mere ’messy’ eller rodede, og det skyldes helt sikkert de meget mere urolige forhold ved universets begyndelse.
James Webb resultater om galakser udfordrer astronomer
Hele historien om, hvornår og hvordan de første galakser blev dannet, er efter Webb blevet en udfordring for de teoretiske astronomer.
Vi kan her blot nævne to resultater:
Det første er, at forskere har fundet to usædvanligt lysstærke galakser, der eksisterede cirka 350 og 450 millioner år efter big bang.
»Vi har fået fat i noget, der er utrolig fascinerende. Dannelsen af disse galakser er begyndt måske blot 100 millioner år efter Big Bang. Ingen forventede, at universets ’mørke tidsalder’ ville være slut så tidligt,« udtaler Garth Illingworth, professor emeritus i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, i en pressemeddelelse fra NASA.
Målt med universets målestok er 100 millioner år jo ikke meget, da det kun er 0,7 procent af universets nuværende alder på 13,8 milliarder år.
Det andet resultat er helt nyt. Det drejer sig om opdagelsen af nogle såkaldte bjælkegalakser der blev dannet for mellem 8,4 og 11 milliarder år siden, da universet var mellem 20 procent og 40 procent af sin nuværende alder.
Vores egen Mælkevej er en bjælkegalakse. Det betyder blot, at centralområdet er aflangt, så det ser ud, som om der er en ’bjælke’ på hver side af centret.
Bjælken har en vigtig funktion ved at bringe stof ind til centret, hvor der så kan foregå en meget hurtig stjerneproduktion på 10-100 gange hurtigere end i resten af galaksen. Denne tilførsel af gas har også betydning for dannelsen af sorte huller i centret.
Bjælkegalakser er temmelig komplicerede strukturer, og ingen havde ventet at finde dem så tidligt i universets historie. Men det er helt klart en opdagelse, der har betydning for universets udvikling.
James Webb skal udforske galakser endnu mere
Opdagelsen af, at store galakser har eksisteret langt tidligere end hidtil antaget, er nok den vigtigste opdagelse fra James Webb indtil nu.
Derfor vil en stor del af Webb-teleskopets tid vil gå med at få kortlagt de meget unge galakser – og især hvordan de adskiller sig fra vore dages galakser.
Navnlig kan det blive interessant at følge, hvorledes den kemiske sammensætning af stjerner og stof i galakserne har ændret sig gennem universets historie.
Lige efter Big Bang var der ikke meget andet end brint og helium. Næsten alle andre grundstoffer er gradvist opstået ved kerneprocesser i stjernerne. Ved at observere galakser af forskellig alder, kan vi få nogle målinger af, hvor hurtigt denne opbygning af tunge grundstoffer er foregået.
James Webb kan tage ret detaljerede billeder af galakser, der er mange millioner lysår borte.
Det gør det muligt at studere opbygningen af et stort antal galakser, og det vil gradvist føre frem til bedre teorier for, hvorfor der findes tre forskellige typer af galakser, nemlig elliptiske galakser, spiralgalakser og irregulære galakser.
Hvad der adskiller de forskellige typer, om de er opstået på samme tid og på hvilke måder, de ligner hinanden, er spørgsmål, som James Webb kan være med til at besvare.
Galakser er store, og i forhold til deres størrelse, er de ikke særlig langt fra hinanden. Det betyder at sammenstød mellem galakser er ret almindelige, og sådanne sammenstød har enorm betydning for en galakses udvikling.
Et eksempel er galakseparret IC 1623 i stjernebilledet Cetus (Hvalfisken) på den sydlige himmel. Her er to galakser i færd med at støde sammen i en afstand på 270 millioner lysår.
Det er ikke selve stjernerne, der støder sammen, men kun de enorme gasskyer i galakserne. Disse kollisioner sætter gang i en meget intens produktion af nye stjerner i såkaldte starburst områder, hvor antallet af stjerner, der dannes hvert år, er op til 20 gange højere end i vores Mælkevej.
Et andet eksempel på fænomenet starburst er galaksen NGC 7469, der befinder sig 220 millioner lysår borte. NGC 7469 er et eksempel på en galakse med et meget aktivt centralområde, der næsten helt sikkert indeholder et sort hul.
Når gas og støv falder ind i det sorte hul, udsendes en meget intens stråling. Astronomerne kalder denne type galakser for AGN galakser, hvor AGN står Active Galactic Nucleus, altså galakser med et meget aktivt kerneområde.
NGC 7469 giver astronomerne en enestående mulighed for at studere, hvordan en AGN-galakse kan skabe et starburst-område, fordi selve kernen er omgivet af et sådant område i en afstand på blot 1.500 lysår.
Det har hidtil været vanskeligt på grund af de store mængder gas og støv i centralområdet. Men James Webb kan med sit infrarøde syn netop se gennem sådanne skyer af gas og støv.
James Webb kan se ting, Hubble ikke kan
Den kendsgerning, at Webb observerer i det infrarøde område, gør, at den ser galakser på en helt anden måde end Hubble, der hovedsageligt observerer i det synlige område.
Hubble ser især de lysende stjerner, men kan ikke se gennem de ofte tætte skyer af gas og støv, der findes i galakser. James Webb kan se gennem skyerne, og det betyder at det ser galaksen på en helt anden måde, der ofte afslører nye detaljer.
Det viser to billeder af galaksen IC 5332, som befinder sig i en afstand på 29 millioner lysår. Det er kosmisk set en ret lille afstand, så det er let at se detaljer.
Det lyse billede er taget af Hubble, og det andet af James Webb. På det viste billede kan man flytte delelinjen mellem de to billeder frem og tilbage.
Vi citerer fra Den europæiske Rumfartsorganisation ESA’s beskrivelse af billedet:
»Hubble-billedet viser mørke områder, der ser ud til at adskille spiralarmene, hvorimod Webb-billedet viser mere af et virvar af strukturer, der afspejler spiralarmenes form. På Hubble-billedet er der mørke områder. Det er områder, hvor der findes meget støv, som synligt lys og ultraviolet lys ikke kan trænge gennem, og som derfor skjuler hvad der måtte være af stjerner.«
»De støvfyldte områder er dog ikke længere mørke på Webb-billedet, fordi det infrarøde lys fra galaksen har været i stand til at passere gennem støvskyerne. Forskellige stjerner er synlige på de to billeder, hvilket kan forklares ved, at stjerner er forskellige. Nogle stjerner udsender meget ultraviolet lys, mens andre lyser mere i det synlige og det infrarøde område. Billederne supplerer hinanden på en bemærkelsesværdig måde og fortæller os hver især mere om IC 5332s struktur og sammensætning.«
James Webb har naturligvis taget mange galaksebilleder, og hver for sig lægger de en lille brik til vores forståelse af, hvorledes galakser er opbygget.
På et eller andet tidspunkt kommer der nok en samlet oversigt over, hvad man har lært af James Webb, men det kan godt tage nogle år. Videnskab tager tid.
Dette er den første af to artikler om James Webbs første år i rummet. I den næste kan du læse om tre andre af James Webbs vigtigste opgaver, nemlig udforskning af stjerner, exoplaneter og Solsystemets ydre planeter.
