Sommigen hebben NASA's James Webb Space Telescope de 'telescoop die astronomie at' genoemd. Het is de krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd en een complex stuk mechanische origami dat de grenzen van de menselijke techniek heeft verlegd. Op 18 december 2021, na jaren van vertragingen en miljarden dollars aan kostenoverschrijdingen, de telescoop is gepland om in een baan om de aarde te lanceren en het volgende tijdperk van de astronomie in te luiden.

Ik ben een astronoom met een specialiteit in observationele kosmologie - ik bestudeer al 30 jaar verre sterrenstelsels. Enkele van de grootste onbeantwoorde vragen over het universum hebben betrekking op de vroege jaren net na de oerknal. Wanneer zijn de eerste sterren en sterrenstelsels ontstaan? Wat eerst kwam, en waarom? Ik ben ongelooflijk opgewonden dat astronomen binnenkort het verhaal kunnen ontdekken van hoe sterrenstelsels zijn begonnen, omdat James Webb speciaal is gebouwd om deze vragen te beantwoorden.

De 'donkere middeleeuwen' van het universum

Uitstekend bewijs toont aan dat het universum begon met een gebeurtenis genaamd de oerknal 13,8 miljard jaar geleden, waardoor het in een ultra-hete, ultradichte staat. Het heelal begon onmiddellijk uit te dijen na de oerknal, koelen als het dat deed. Een seconde na de oerknal, het universum was honderd biljoen mijl breed met een gemiddelde temperatuur van maar liefst 18 miljard F (10 miljard C). Rond de 400, 000 jaar na de oerknal, het heelal was 10 miljoen lichtjaar in doorsnede en de temperatuur was gedaald tot 5, 500 F (3, 000 C). Als iemand daar was geweest om het op dit punt te zien, het universum zou dof rood hebben gegloeid als een gigantische warmtelamp.

Gedurende deze tijd, de ruimte was gevuld met een gladde soep van hoogenergetische deeltjes, straling, waterstof en helium. Er was geen structuur. Toen het uitdijende heelal groter en kouder werd, de soep werd dunner en alles werd zwart. Dit was het begin van wat astronomen de donkere middeleeuwen van het universum noemen.

De soep van de Middeleeuwen was niet perfect uniform en door de zwaartekracht, kleine gasgebieden begonnen samen te klonteren en werden dichter. Het gladde universum werd klonterig en deze kleine klonten van dichter gas waren de zaden voor de uiteindelijke vorming van sterren, sterrenstelsels en al het andere in het heelal.

Hoewel er niets te zien was, de donkere middeleeuwen waren een belangrijke fase in de evolutie van het universum.

Op zoek naar het eerste licht

De donkere middeleeuwen eindigden toen de zwaartekracht de eerste sterren en sterrenstelsels vormde die uiteindelijk het eerste licht begonnen uit te zenden. Hoewel astronomen niet weten wanneer het eerste licht gebeurde, de beste gok is dat het enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal was. Astronomen weten ook niet of er eerst sterren of sterrenstelsels zijn ontstaan.

De huidige theorieën die gebaseerd zijn op de structuur van zwaartekracht in een universum dat wordt gedomineerd door donkere materie, suggereren dat kleine objecten, zoals sterren en sterrenhopen, waarschijnlijk eerst zijn gevormd en later uitgroeiden tot dwergstelsels en vervolgens tot grotere sterrenstelsels zoals de Melkweg. Deze eerste sterren in het heelal waren extreme objecten vergeleken met de sterren van vandaag. Ze waren een miljoen keer helderder, maar ze leefden erg kort. Ze brandden heet en helder en toen ze stierven, ze lieten zwarte gaten achter tot honderd keer de massa van de zon, die mogelijk hebben gediend als de zaden voor de vorming van sterrenstelsels.

Astronomen zouden dit fascinerende en belangrijke tijdperk van het heelal graag willen bestuderen, maar het detecteren van het eerste licht is ongelooflijk uitdagend. Vergeleken met massief, heldere sterrenstelsels van vandaag, de eerste objecten waren erg klein en door de constante uitdijing van het heelal, ze zijn nu tientallen miljarden lichtjaren verwijderd van de aarde. Ook, de vroegste sterren waren omgeven door gas dat overbleef van hun vorming en dit gas werkte als mist die het meeste licht absorbeerde. Het heeft honderden miljoenen jaren geduurd voordat straling de mist had weggeblazen. Dit vroege licht is erg zwak tegen de tijd dat het de aarde bereikt.

Maar dit is niet de enige uitdaging.

Naarmate het universum uitdijt, het rekt continu de golflengte van het licht dat er doorheen gaat. Dit wordt roodverschuiving genoemd omdat het licht van kortere golflengten, zoals blauw of wit licht, verschuift naar langere golflengten zoals rood of infrarood licht. Hoewel het geen perfecte analogie is, het is vergelijkbaar met hoe wanneer een auto langs je rijdt, de toonhoogte van alle geluiden die het maakt, daalt merkbaar.

Tegen de tijd dat het door een vroege ster of sterrenstelsel uitgezonden licht 13 miljard jaar geleden een telescoop op aarde bereikt, het is met een factor 10 uitgerekt door de uitdijing van het heelal. Het komt aan als infrarood licht, wat betekent dat het een golflengte heeft die langer is dan die van rood licht. Om het eerste licht te zien, je moet op zoek zijn naar infrarood licht.

Telescoop als tijdmachine

Betreed de James Webb-ruimtetelescoop.

Telescopen zijn als tijdmachines. Als een object 10 is, 000 lichtjaar verwijderd, dat betekent dat het licht er 10 nodig heeft, 000 jaar om de aarde te bereiken. Dus hoe verder in de ruimte astronomen kijken, hoe verder we terug in de tijd zoeken.

Ingenieurs hebben James Webb geoptimaliseerd voor het specifiek detecteren van het zwakke infraroodlicht van de vroegste sterren of sterrenstelsels. Vergeleken met de Hubble-ruimtetelescoop, James Webb heeft een 15 keer breder gezichtsveld op zijn camera, verzamelt zes keer meer licht en de sensoren zijn zo afgesteld dat ze het meest gevoelig zijn voor infrarood licht.

De strategie zal zijn om voor een lange tijd diep naar een stukje lucht te staren, zoveel mogelijk licht en informatie verzamelen van de verste en oudste sterrenstelsels. Met deze gegevens, het is misschien mogelijk om te antwoorden wanneer en hoe de donkere middeleeuwen eindigden, maar er zijn nog veel andere belangrijke ontdekkingen te doen. Bijvoorbeeld, het ontrafelen van dit verhaal kan ook helpen de aard van donkere materie te verklaren, de mysterieuze vorm van materie die ongeveer 80% van de massa van het universum uitmaakt.

James Webb is de technisch moeilijkste missie die NASA ooit heeft geprobeerd. Maar ik denk dat de wetenschappelijke vragen die het kan helpen beantwoorden, elke inspanning waard zullen zijn. Ik en andere astronomen wachten opgewonden tot de gegevens ergens in 2022 terugkomen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.