กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาจะย้อนเวลากลับไปในยุคมืดของจักรวาล

บางคนเรียกกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ของนาซ่าว่ากล้องโทรทรรศน์ที่กินดาราศาสตร์.” มันคือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ทรงพลังที่สุด ที่เคยสร้างมาและชิ้นส่วนที่ซับซ้อนของ origami เครื่องกลที่ผลักดันขีด จำกัด ของวิศวกรรมมนุษย์ เมื่อวันที่ 18 ธันวาคม พ.ศ. 2021 หลังจากหลายปีแห่งความล่าช้าและค่าใช้จ่ายหลายพันล้านเหรียญสหรัฐ กล้องโทรทรรศน์ก็หมดสภาพ กำหนดส่งขึ้นสู่วงโคจร และนำไปสู่ยุคดาราศาสตร์ต่อไป

ฉันเป็น นักดาราศาสตร์ ด้วยความเชี่ยวชาญพิเศษด้านจักรวาลวิทยาเชิงสังเกต—ฉันศึกษากาแลคซี่ห่างไกลมา 30 ปีแล้ว คำถามที่ยังไม่มีคำตอบที่ใหญ่ที่สุดบางข้อเกี่ยวกับจักรวาลเกี่ยวข้องกับช่วงปีแรกๆ หลังบิ๊กแบง ดาวฤกษ์และกาแล็กซี่แรกก่อตัวเมื่อใด อันไหนเกิดก่อน เพราะอะไร? ฉันรู้สึกตื่นเต้นอย่างเหลือเชื่อที่นักดาราศาสตร์อาจค้นพบเรื่องราวของกาแล็กซีที่เริ่มต้นขึ้นในไม่ช้านี้ เนื่องจากเจมส์ เว็บบ์ ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อตอบคำถามเหล่านี้โดยเฉพาะ

'ยุคมืด' ของจักรวาล

หลักฐานที่ยอดเยี่ยมแสดงให้เห็นว่าจักรวาลเริ่มต้นด้วยเหตุการณ์ที่เรียกว่า บิ๊กแบง เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน ซึ่งปล่อยให้อยู่ในสภาพที่ร้อนจัดและหนาแน่นเป็นพิเศษ เอกภพเริ่มขยายตัวทันทีหลังบิ๊กแบง เย็นลงเหมือนที่มันทำ หนึ่งวินาทีหลังจากบิกแบง จักรวาลมีความกว้างหลายร้อยล้านล้านไมล์ โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ย 18 พันล้านองศาฟาเรนไฮต์ที่น่าเหลือเชื่อ (10 พันล้านองศาเซลเซียส) ประมาณ 400,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง จักรวาลมีความกว้าง 10 ล้านปีแสงและ อุณหภูมิเย็นลงแล้ว ถึง 5,500 องศาฟาเรนไฮต์ (3,000 องศาเซลเซียส) หากใครเคยไปที่นั่นเพื่อดู ณ จุดนี้ จักรวาลก็คงจะส่องแสงสีแดงหม่นเหมือนโคมไฟความร้อนขนาดยักษ์

ตลอดเวลานี้ พื้นที่เต็มไปด้วยซุปที่นุ่มนวลของอนุภาคพลังงานสูง รังสี ไฮโดรเจน และฮีเลียม ไม่มีโครงสร้าง เมื่อจักรวาลที่ขยายใหญ่ขึ้นและเย็นลง ซุปก็บางลงและทุกอย่างก็จางหายไปเป็นสีดำ นี่คือจุดเริ่มต้นของสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า ยุคมืด ของจักรวาล

ซุปแห่งยุคมืดคือ ไม่สมบูรณแบบ และเนื่องจากแรงโน้มถ่วง พื้นที่เล็กๆ ของก๊าซจึงเริ่มจับตัวเป็นก้อนและมีความหนาแน่นมากขึ้น เอกภพที่ราบเรียบกลายเป็นก้อน และกลุ่มก๊าซขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นมากขึ้นเหล่านี้เป็นเมล็ดพืชสำหรับการก่อตัวของดาวฤกษ์ กาแล็กซี และทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาล

แม้ว่าจะไม่มีอะไรให้ดู แต่ยุคมืดเป็นช่วงสำคัญในการวิวัฒนาการของจักรวาล

มองหาแสงแรก

ยุคมืดสิ้นสุดลงเมื่อแรงโน้มถ่วงก่อตัวดาวฤกษ์ดวงแรกและกาแล็กซีซึ่งเริ่มเปล่งแสงแรกออกมาในที่สุด แม้ว่านักดาราศาสตร์จะไม่รู้ว่าแสงแรกเกิดขึ้นเมื่อไหร่ แต่เดาได้ดีที่สุดว่ามันคือ หลายร้อยล้านปี หลังบิ๊กแบง. นักดาราศาสตร์ยังไม่ทราบว่าดาวหรือดาราจักรก่อตัวขึ้นก่อนหรือไม่

ทฤษฎีปัจจุบัน จากการที่แรงโน้มถ่วงก่อตัวโครงสร้างในเอกภพที่ถูกครอบงำด้วยสสารมืด ชี้ให้เห็นว่าวัตถุขนาดเล็ก เช่น ดาวฤกษ์และกระจุกดาว น่าจะก่อตัวขึ้นก่อนแล้วค่อยเติบโตเป็นดาราจักรแคระและดาราจักรขนาดใหญ่ เช่น ทางช้างเผือก ดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาลนี้เป็นวัตถุสุดขั้วเมื่อเทียบกับดาวในปัจจุบัน พวกเขาเป็น สว่างขึ้นล้านเท่า แต่พวกมันมีอายุสั้นมาก ถูกแผดเผาร้อนเป็นไฟ พอตายก็ทิ้งไป หลุมดำ มากถึงร้อยเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งอาจมี ทำหน้าที่เป็นเมล็ดสำหรับการก่อตัวของกาแล็กซี่.

นักดาราศาสตร์ชอบที่จะศึกษายุคที่น่าสนใจและมีความสำคัญของจักรวาลนี้ แต่การตรวจจับแสงแรกเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างไม่น่าเชื่อ เมื่อเทียบกับดาราจักรสว่างและใหญ่ในปัจจุบัน วัตถุชิ้นแรกมีขนาดเล็กมากและเนื่องจากการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของจักรวาล ตอนนี้วัตถุเหล่านี้อยู่ห่างจากโลกหลายหมื่นล้านปีแสง นอกจากนี้ ดาวฤกษ์ดวงแรกสุดยังถูกล้อมรอบด้วยก๊าซที่เหลือจากการก่อตัว และก๊าซนี้ทำตัวเหมือนหมอกที่ดูดซับแสงส่วนใหญ่ ใช้เวลาหลายร้อยล้านปีสำหรับ ฉายรังสีเพื่อขจัดหมอก. แสงแรกเริ่มนี้จะสลัวมากเมื่อถึงพื้นโลก

แต่นี่ไม่ใช่ความท้าทายเพียงอย่างเดียว

เมื่อเอกภพขยายตัว มันจะยืดความยาวคลื่นของแสงที่เดินทางผ่านเข้าไปอย่างต่อเนื่อง นี้เรียกว่า redshift เพราะมันเปลี่ยนแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า เช่น แสงสีน้ำเงินหรือสีขาว ไปเป็นความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เช่น แสงสีแดงหรืออินฟราเรด แม้ว่าจะไม่ใช่การเปรียบเทียบที่สมบูรณ์แบบ แต่ก็คล้ายกับว่าเมื่อรถขับผ่านคุณ ระดับเสียงใดๆ ที่มันทำให้ลดลงอย่างเห็นได้ชัด

เมื่อถึงเวลาที่แสงที่ดาวฤกษ์หรือกาแล็กซียุคแรกปล่อยออกมาเมื่อ 13 พันล้านปีก่อนมาถึงกล้องโทรทรรศน์ใดๆ บนโลก มันก็ถูกยืดออกไปถึง 10 เท่าจากการขยายตัวของเอกภพ มันมาถึงเป็นแสงอินฟราเรด ซึ่งหมายความว่ามีความยาวคลื่นมากกว่าแสงสีแดง หากต้องการเห็นแสงแรก คุณต้องมองหาแสงอินฟราเรด

กล้องโทรทรรศน์เป็นเครื่องย้อนเวลา

เข้าไปในกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์

กล้องโทรทรรศน์เป็นเหมือนเครื่องย้อนเวลา หากวัตถุอยู่ห่างออกไป 10,000 ปีแสง แสดงว่าแสงใช้เวลา 10,000 ปีในการไปถึงโลก ดังนั้นยิ่งนักดาราศาสตร์อวกาศมองออกไปไกลเท่าไร ย้อนกลับไปในเวลาที่เรากำลังมองหา.

วิศวกร ปรับแต่ง James Webb เพื่อตรวจจับแสงอินฟราเรดจางๆ ของดาวฤกษ์หรือดาราจักรยุคแรกๆ โดยเฉพาะ เทียบกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล James Webb มีมุมมองภาพกว้างขึ้น 15 เท่าในกล้องเก็บแสงได้มากกว่าถึง XNUMX เท่า และปรับเซ็นเซอร์ให้ไวต่อแสงอินฟราเรดมากที่สุด

กลยุทธ์จะเป็นเพื่อ เฝ้ามองท้องฟ้าผืนหนึ่งอยู่เนิ่นนานรวบรวมแสงและข้อมูลจากดาราจักรที่ห่างไกลและเก่าแก่ที่สุดเท่าที่จะทำได้ ด้วยข้อมูลนี้ อาจเป็นไปได้ที่จะตอบได้ว่ายุคมืดสิ้นสุดลงเมื่อใดและอย่างไร แต่ก็มีการค้นพบที่สำคัญอื่นๆ อีกมากมายที่ต้องทำ ตัวอย่างเช่น การเปิดโปงเรื่องนี้ก็อาจ ช่วยอธิบายธรรมชาติของสสารมืด, รูปแบบลึกลับของสสารที่ประกอบขึ้นเกี่ยวกับ 80 เปอร์เซ็นต์ของมวลจักรวาล.

James Webb เป็น ภารกิจที่ยากที่สุดทางเทคนิค นาซ่าเคยพยายาม แต่ฉันคิดว่าคำถามทางวิทยาศาสตร์ที่อาจช่วยตอบได้จะคุ้มค่ากับความพยายามทุกออนซ์ ฉันและนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ต่างรอคอยอย่างตื่นเต้นที่ข้อมูลจะกลับมาในช่วงปี 2022

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: Hubble Deep Field / นาซา

ที่มา: https://singularityhub.com/2021/10/24/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of- จักรวาล/