Rumteleskopet James Webb

James Webb ser (infra-)rødt

Universet er fuld af alt mulig crazy shit, og hele pointen med fysik og astronomi er at finde ud, hvordan de forskellige fænomener opstår, og hvordan det hele hænger sammen. Det meste information vi får fra Universet, kommer til os i form af lys, med forskellige bølgelængder alt efter hvilke fysiske processer der har udsendt dem. Med billeder taget med forskellige filtre, som lukker lys ind til kameraet i et bestemt bølgelængdeområde, og med spektrografer der spreder lyset ud et spektrum efter deres præcise bølgelængde, kan vi så lære om de forskellige fysiske processer, f.eks. hvilke grundstoffer der udsendte lyset, hvordan det bevæger sig, hvor varmt det er, og meget, meget mere.

Hvor Hubble er specialiseret til at se på synligt og ultraviolet lys, er James Webb lavet til at kigge på det mere langbølgede infrarøde lys. Webb kommer derfor til at se på nogle andre ting, og lære os noget om Universet, som Hubble overhovedet ikke har mulighed for.

James Webbs instrumenter

James Webb har fire instrumenter med om bord, kaldet NIRCam, NIRSpec, MIRI og NIRISS. Som navnene antyder, er NIRCam og NIRSpec henholdsvis et kamera og en spektrograf for det nær-infrarøde område, ud til ca. 5 mikrometer (µm). Til billeder og spektrer af det midt-infrarødes længere bølgelængder, bruges MIRI. NIRISS kan tage både billeder og spektrer i det nær-infrarøde, og har desuden en sensor til at tracke stjerner, sådan at vi kan være sikre på at teleskopet bliver ved med at pege i den rigtige retning.

Fra en tropisk regskov til selve tidens grænse

Teleskop-origami

James Webb er et stort teleskop — så stort, at man var nødt til at folde det sammen, for at det kunne være i næsen på den Ariane 5-raket, som juledag 2021 blev skudt afsted fra Kourou i Fransk Guyana. Udfoldningsprocessen bestod af mere end 300 steps, som blev foretaget i løbet af de første to uger af i alt én måned, som det tog James Webb at nå L2.

Webbs spejl består af 18 sekskantede segmenter, som dernæst tog et par måneder at justere og få i fokus. Spejlene er belagt med guld, da dét er særlig godt til at reflektere infrarødt lys (spejle til synligt lys er normalt belagt med aluminium). Faktisk er grunden til, at guld har sin fine farve, at det ikke reflekterer det kortbølgede blå lys.

Rejsen til L2

James Webb blev altså sendt afsted, og kun tre gange undervejs måtte det korrigere sin retning en lille smule; to gange lige i starten, og én gang da det nåede frem til L2. Dette var planlagt, men korrektionerne var uventet små: Da Webb forlod Jorden, var det med omkring 8 km/s, men for at gå i kredsløb om L2 ændrede Webb sin fart med kun 1.6 m/s. Det er gå-hastighed!

Fordi James Webb er så langt væk, kommer vi aldrig til at kunne reparere det, ligesom vi har gjort med Hubble. Derfor var det så vigtigt, at alt gik godt. Det betyder også, at missionen har en relativt kort levetid. Instrumenterne er designet til at holde mindst 5–10 år, og derfor havde Webb også brændstof med til at kunne korrigere sin position i 10 år. Men med den utrolig præcise opsendelse sparede vi faktisk så meget brændstof, at der er nok til 20 år, så hvis vi er heldige at instrumenterne holder længere end forventet, har vi James Webb meget længere end vi kunne håbe på.

Jeg skriver dette i starten af april, og de næste knap tre måneder skal gå med at kalibrere teleskopets instrumenter, indtil vi i slutningen af juni kan begynde at bruge det til at kigge tilbage til selve tidens oprindelse (eller tæt på, i hvert fald).

Og hvad skal James Webb så observere?

Infrarødt lys udsendes fra mange forskellige fysiske processer, og James Webb kommer til at lære os om det hele. Webbs "temaer" deles ofte op i fire, med lidt forskellige beskrivelser alt efter hvem du spørger. Spørger du mig, deler jeg dem op sådan her:

• 🪐 Exoplaneter — andre verdener
• ✨ Stjernedannelse og proto-planeter
• 🌌 Universets første stjerner og galakser
• 🌀 Tidlig galakseudvikling

De første galakser

Personligt er jeg mest interesseret i galakser og deres skabelse. Selvom galakser udsender lys henover hele det elektromagnetiske spektrum, er det normalt især stjernernes synlige lys der udsendes mest af, især i deres tidlige liv. Så hvordan kan James Webbs infrarøde detektorer hjælpe os med at lære noget om de første galakser?

Et kig tilbage i tiden

Fordi lys bevæger sig med en vis hastighed, kigger vi altid tilbage tiden. Når du tjekker din telefon, kigger du et nanosekund tilbage i tiden, fordi det er så lang tid det tager lyset at rejse 30 cm. Når du kigger på Solen, kigger du 8 minutter tilbage i tiden. Og når vi kigger på vores nærmeste store nabogalakse, Andromeda, kigger vi 2½ millioner år tilbage tiden, fordi Andromeda ligger 2½ million lysår væk.

Hvis vi vil vide, hvordan galakserne blev dannet, og hvordan de udviklede sig i starten af deres liv, må vi derfor prøve at finde de allerfjerneste galakser, fordi vi så kigger allerlængst tilbage i tiden. De første galakser tror vi blev skabt omkring 100-200 millioner efter Big Bang, dvs. for over 13½ milliarder år siden.

Rødforskydning

Vores Univers udvider sig. Hele tiden bliver det større og større. Og det er sådan, at lys som bevæger sig gennem et rum der udvider sig, selv bliver "udvidet", eller strukket. Dets bølgelængde bliver simpelthen længere. Vi siger, at lyset bliver rødforskudt.

Hvis f.eks. en lysstråle starter ud med at være ultraviolet — og det gør den tit især fra helt unge og nydannede stjerner og galakser — vil den efter et stykke tid blive violet, dernæst blå, henover grøn, til den bliver rød, og — hvis den rejser rigtig langt — til sidst infrarød.

Samtidig vil lyset bliver så svagt, at det kræver et meget stort spejl til at opfange lys nok til at kunne detekteres. Og der er her at James Webb kommer ind i billedet: James Webb vil simpelthen være en tidsmaskine, der kommer til at revolutionere vores viden omkring, hvordan og hvor hurtigt galakserne blev skabt, hvilke fysiske processer der dominerede, hvordan galakserne påvirkede resten af Universet, hvordan de udviklede sig i deres tidlige leveår, og meget meget mere.