Etsimällä kaukaa voimme katsoa taaksepäin ajassa. Tämä yksinkertainen, mutta mielenkiintoinen tosiasia antaa tähtitieteilijöille tarkkailla maailmankaikkeuden otoksia eri aikoina, käyttämällä niitä kosmisen evoluution monimutkaisen historian kokoamiseen. Jokaisen uuden rakentamanmme kaukoputken avulla voimme nähdä kauempana ja aikaisemmin maailmankaikkeuden historiassa. James Webbin avaruusteleskooppi (JWST) toivoo vertaistuvansa takaisin aina ensimmäisten galaksien muodostuessa.
Asiaan liittyvä sisältö
- Tapaa Hubble-seuraaja, joka tulee läpi ajan
Ajatus, että katseleminen vastaa taaksepäin katsomista, on suhteellisen nuori. Se tulee Einsteinin erityissuhteellisuusteoriasta, joka väittää muun muassa, että valo kulkee valon nopeudella eikä mikään kulje sitä nopeammin. Arkipäivänä emme milloinkaan koe tämän käsitteen seurauksia, koska valon nopeus on niin suuri (300 000 km / s, tai noin miljoona kertaa nopeampi kuin suihkukone), että tällä ”matkustusajalla” on tuskin merkitystä. Jos kytketään valon päälle tai joku lähettää meille sähköpostia Euroopasta, näemme nämä tapahtumat (näemme lampun käynnistyvän tai saamme sähköpostin) välittöminä, koska valo vie vain pienen osan sekunnista matkustaakseen huoneessa tai jopa koko maan päällä. Mutta tähtitieteellisessä mittakaavassa valon nopeuden lopullisuudella on syviä vaikutuksia.
Auringonpaiste on noin 150 miljoonaa km, mikä tarkoittaa, että auringonvalolta kestää noin 8 minuuttia ja 20 sekuntia päästäksesi meihin. Kun katsomme aurinkoa, näemme kuvan, joka on 8 minuuttia vanha. Lähin naapurimaidemme galaksi, Andromeda, on noin 2, 5 miljoonan valovuoden päässä; kun katsomme Andromedaa, katsomme sitä sellaisena kuin se oli 2, 5 miljoonaa vuotta sitten. Tämä voi kuulostaa paljon ihmisen aikatauluista, mutta galakseihin nähden se on todella lyhyt aika; ”vanhentunut” kuvamme on todennäköisesti edelleen hyvä esitys siitä, miltä Andromeda näyttää tänään. Universumin pelkkä laajuus varmistaa kuitenkin, että on monia tapauksia, joissa valon matka-aika on tärkeä. Jos tarkastelemme miljardia valovuoden päässä olevaa galaksia, näemme sen sellaisena kuin se oli miljardi vuotta sitten, mikä on tarpeeksi aikaa galaksin muutumiseen merkittävästi.
Joten kuinka kauas taaksepäin voimme nähdä? Kolme eri tekijää ratkaisee vastauksen tähän kysymykseen. Yksi tosiasia on, että maailmankaikkeus on “vain” 13, 8 miljardia vuotta vanha, joten emme voi katsoa taaksepäin aikakauteen kauempana kuin maailmankaikkeuden alku, joka tunnetaan nimellä iso räjähdys. Toinen asia - ainakin jos kyse on astrofüüsisista esineistä, kuten galakseista - on, että tarvitsemme jotain katsottavaa. Alkuperäinen maailmankaikkeus oli alkuainehiukkasten leivonnainen keitto. Kesti jonkin aikaa, ennen kuin nämä hiukkaset jäähtyivät ja muodostuivat atomiksi, tähtiä ja galakseja. Loppujen lopuksi, jopa kun nämä esineet olivat paikoillaan, niiden näkeminen maasta miljardeja vuosia myöhemmin vaatii erittäin tehokkaita kaukoputkia. Fyysisten lähteiden kirkkaus vähenee nopeasti etäisyyden myötä, ja yrittää havaita galaksia 1 miljardin valovuoden etäisyydellä on yhtä haastavaa kuin yrittää havaita auton ajovalo noin 60 000 mailin päässä. Yrittää havaita sama galaksi 10 miljardin valovuoden etäisyydellä on 100 kertaa vaikeampaa.
Toistaiseksi tämä on ollut ajo-tekijä rajoittamalla etäisyyttä kauimpiin galakseihin, joita voimme nähdä. 1980-luvulle asti kaikki kaukoputkimme perustuivat maahan, missä maan ilmapiiri ja valon saastuminen estävät niiden suorituskykyä. Siitä huolimatta, olimme jo tietoisia galakseista, joiden etäisyys on yli 5 miljardia valovuotta. Hubble-avaruus teleskoopin käynnistäminen vuonna 1990 antoi meille mahdollisuuden purkaa tämä etäisyysennätys monta kertaa, ja kirjoittaessani tätä kauimmin tunnettu galaksi sijaitsee hämmästyttävän 13, 4 miljardia vuotta aiemmin.
JWST käyttää infrapunavaloa tutkimaan jokaista kosmisen historian vaihetta ensimmäisistä valonhehkuista Ison räjähdyksen jälkeen aina tähtijärjestelmien muodostamiseen, jotka pystyvät tukemaan elämää maan kaltaisilla planeetoilla. (NASA) Tämä vie meidät yhteen modernin tähtitieteen avainkysymyksiin: mitä näiden kaukaisten galaktien ominaisuuksia voimme tosiasiallisesti mitata? Vaikka lähellä olevien galaksien havainnot osoittavat niiden muodot ja värit yksityiskohtaisesti, usein ainoa tieto, jonka voimme kerätä kaikkein kaukaisimmista galakseista, on niiden yleinen kirkkaus. Mutta tarkastelemalla niitä kaukoputkilla, jotka ovat herkkiä näkyvän alueen ulkopuolella oleville valotaajuuksille, kuten ultravioletti, radio ja infrapuna, voimme löytää vihjeitä galaksin tähtipopulaatioista sekä sen etäisyydestä meistä.
Tarkkailemalla galakseja niin monella eri taajuudella kuin mahdollista, voimme luoda spektrin, joka osoittaa, kuinka kirkas galaksi on kunkin tyyppisessä valossa. Koska maailmankaikkeus laajenee, teleskooppiemme havaitsemia sähkömagneettisia aaltoja on venytetty matkan varrella, ja niin tapahtuu, että spektrien venytysmäärä on verrannollinen galaksin etäisyyteen meistä. Tämä suhde, nimeltään Hubblen laki, antaa meille mahdollisuuden mitata kuinka kaukana nämä galaksit ovat. Spektrit voivat paljastaa myös muita ominaisuuksia, kuten tähteiden massamäärän kokonaismäärän, galaksin muodostumisnopeuden tähtiin ja tähtipopulaatioiden iän.
Vain muutama kuukausi sitten ryhmä tähtitieteilijöitä Yhdysvalloista ja Euroopasta käytti Hubble-avaruusteleskoopin ja Spitzerin infrapuna-avaruuskaukoputken havaintoja löytääkseen tähän asti tunnetuimman kaikkein kauimman galaksin GN-z11. Vain 400 miljoonan vuoden kuluttua isosta räjähdyksestä ("kun maailmankaikkeus oli vain 3 prosenttia nykyisestä iästään", päätutkija Pascal Oeschin mukaan) sen massa on miljardi aurinkoa yhdessä, noin 1/25 tuhatta omaa Linnunrata.
GN-z11 muodostaa tähtiä noin 20 kertaa nopeammin, huomattavalla nopeudella 25 uutta aurinkoa vuodessa. ”On hämmästyttävää, että niin massiivinen galaksi oli olemassa vain 200 miljoonasta 300 miljoonaan vuoteen sen jälkeen, kun ensimmäiset tähdet alkoivat muodostua. Vaatii todella nopean kasvun, tuottaen tähtiä valtavalla nopeudella, jotta niin pian muodostuisi galaksi, joka on miljardi aurinko massaa ”, selittää löytöryhmän toinen tutkija Garth Illingworth.
Tällaisen massiivisen esineen olemassaolo niin varhaisessa vaiheessa on ristiriidassa nykyisten kosmisen kokoonpanon skenaarioiden kanssa, mikä asettaa uusia haasteita tutkijoille, jotka työskentelevät galaksien muodostumisen ja evoluution mallintamisen parissa. "Tämä uusi löytö osoittaa, että Webbin teleskooppi (JWST) löytää varmasti monia sellaisia nuoria galakseja, jotka palaavat takaisin ensimmäisten galaksien muodostuessa", sanoo Illingworth.
JWST on tarkoitus käynnistää vuonna 2018, ja se kiertää aurinko- / maapallon ympärillä erityisestä sijainnista 900 000 mailin päässä meistä. Kuten Hubble, myös JWST kuljettaa useita instrumentteja, mukaan lukien voimakkaat kamerat ja spektrografit, mutta sen herkkyys paranee: sen ensisijainen peili on melkein seitsemän kertaa suurempi ja taajuusalue ulottuu paljon kauemmaksi infrapuna-alueelle. Eri taajuusalueet antavat JWST: lle mahdollisuuden havaita spektrit suuremmalla venytyksellä, kuuluen kauempiin kohteisiin. Sillä on myös ainutlaatuinen kyky ottaa 100 objektin spektrit samanaikaisesti. JWST: n avulla odotamme työntävän etäisyyden esteen vielä pidemmälle, aikakauteen vain 150 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen, ja löydämme aivan ensimmäiset koskaan muodostuneet galaksit. JWST auttaa meitä ymmärtämään kuinka galaksien muodot muuttuvat ajan myötä ja mitkä tekijät hallitsevat galaktien vuorovaikutusta ja fuusioita.
Mutta JWST ei vain katso galakseja. Katsomalla maailmankaikkeutta infrapunavalossa, pystymme näkemään paksujen pölyverhojen läpi, jotka ympäröivät vasta syntyneet tähdet ja planeetat, tarjoamalla ikkunan muiden aurinkokunnan muodostumiseen. Lisäksi erityiset instrumentit, nimeltään koronagrafit, mahdollistavat planeettojen kuvantamisen muiden tähtijen ympärillä ja toivottavasti johtavat löytämiseen useita maapallon kaltaisia planeettoja, jotka kykenevät pitämään elämää. Kaikille, jotka ovat koskaan katsoneet taivasta ja pohtineet, mitä siellä on, seuraava vuosikymmen tulee olemaan erittäin jännittävä aika.
