Image
""

James Webb-teleskopet (JWST) slik en illustratør ser det for seg i verdensrommet. Illustrasjon: NASA, ESA, Northrop Grumman

James Webb: Norsk forsker er blant de første som får ta bilder med superteleskopet

Verden over venter astrofysikere i spenning på at James Webb-teleskopet, vårt desidert beste romteleskop noensinne, skal settes i drift.

I Oslo er en forsker ekstra spent på lyset fra en galakse elleve milliarder lysår unna, for kanskje rommer The Sunburst Arc svaret på en kosmisk gåte.

– Det var noen store glis forrige uke da vi hadde fått lys til instrumentene, sier gjesteforsker Håkon Dahle ved Institutt for teoretisk astrofysikk.

Et par ganger i uka har han telefonmøter med forskningsgruppa han deltar i, som også inkluderer NASA-forskere.

Teleskopet ble skutt opp fra Fransk Guyana 1. juledag og har inntatt plassen sin i verdensrommet. I L2-punktet på jordas nattside, fire ganger lenger unna jorda enn månen, har teleskopet knallfin utsikt til universet. I et L-punkt, eller Lagrangepunkt, kan et romfartøy ligge stabilt på grunn av gravitasjonseffekt fra to store masser, her jorda og sola.

Dette smykket av et teleskop skal forhåpentligvis gi forskerne mange sjampanje-øyeblikk og ny kunnskap om universet i årene som kommer.

For tiden finjusteres de 18 delene av speilet med en ufattelig presisjon.

– De har et slingringsmonn på 20 nanometer, eller som et femtusendels hårstrå, forteller Dahle.

Den lille flekken som beveger seg er James Webb-teleskopet på vei ut i rommet, omtrent 940.000 kilometer unna oss på dette tidspunktet. Eksponeringene er tatt gjennom et 20 centimeter speilteleskop i Lørenskog. Utsnittet er cirka 4,5x5,5 bueminutter, det vil si omtrent en sjettedel av bredden til fullmånen. Animasjonen spenner over et tidsrom på 45 minutter om kvelden 5. januar, et par døgn etter at de fem lagene i solskjermen til teleskopet ble foldet ut. Illustrasjon: Håkon Dahle.

Hvis alt går etter planen vil teleskopet være i drift i slutten av juni. Håkon Dahle er blant de første i verden som får bruke James Webb-teleskopet til forskning. Han deltar i flere prosjekter som har fått innvilget observasjonstid det første året.

Favoritt-galaksen er elleve milliarder lysår borte

Håkon Dahle skal studere riktig gamle galakser, i første omgang seks ulike, men det er særlig en som peker seg ut som favoritt. Den har til og med fått et eget, poetisk navn: The Sunburst Arc. Dahle kaller den Solstreifbuen på norsk.

Lyset fra Solstreifbuen har brukt elleve milliarder år på å nå oss, så Dahle og kollegene studerer en eldgammel galakse, men slik den var i sin ungdom.

Sjekk den fine buen: Håkon Dahle peker ut favorittgalaksen på et bilde han selv og tidligere kollega Emil Rivera-Thorsen har tatt med Hubble-teleskopet. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

Solstreifbuen ligger så langt unna at vi ikke kan se detaljer inne i galaksen, selv ikke med James Webb-teleskopet. Men universet selv har laget et fantastisk hjelpemiddel til oss.

Et himmelsk forstørrelsesglass

Sett fra jorda ligger Solstreifbuen bak en stor samling galakser, en galaksehop. Materien i denne hopen krummer selve rommet, slik at lyset fra galaksen lenger unna blir bøyd omkring hopen.

Effekten kalles gravitasjonslinsing og det er takket være dette fenomenet at vi kan se detaljer inne i så fjerne objekter som Solstreifbuen i det hele tatt.

Gravitasjonslinser forstørrer og forvrenger bilder av det som ligger bak linsa og de kan også splitte lyset fra objektene bak slik at vi ser flere bilder av det samme fenomenet.

Les mer om gravitasjonslinsing: På sporet av kvasarenes hemmeligheter

For å kunne finne slike fjerne galakser som Solstreifbuen må en altså først finne gravitasjonslinser, og en måte å finne nye linser på er faktisk å studere den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Universets eldste stråler peker ut forstørrelsesglassene

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen stammer fra veldig tidlig i universets historie, bare 380 000 år etter big bang,  og ble frigjort da frie hydrogenkjerner og elektroner kombinerte og dannet stabile atomer.

I galaksehoper består mesteparten av den synlige materien av varm gass som vi finner mellom galaksene. Når den kosmiske bakgrunnsstrålingen passerer gjennom en galaksehop, vil en del av fotonene dumpe borti elektroner i den varme gassen og få høyere energi.

– Hvis du studerer den kosmiske bakgrunnsstrålingen og ser kun på lange bølgelengder ser en galaksehop ut som et hull i himmelen. Konsentrerer du deg om de korte bølgelengdene, ser du en lysende klump, sier Dahle.

Det hittil mest finkornete bildet av den kosmiske bakgrunnsstrålingen har vi fått fra Planck-satellittens målinger ti år tilbake. Et av resultatene fra den europeiske satellitten er en katalog over 1600 galaksehoper.

En superinteressant bue

Dahle og andre astrofysikere rettet teleskoper på La Palma og i Chile mot de nye galaksehopene som ble funnet med Planck. 

– På et av bildene så vi denne fantastiske buen. Den var mer lyssterk enn noe annet objekt vi hadde sett på denne avstanden, og virket veldig interessant, forteller Dahle.

Særlig én ting vekket forskernes interesse i lyset de observerte fra buen, en bestemt linje i spekteret til hydrogen, kalt Lyman-Alfa – Ly-α i illustrasjonen under.

Hvis vi deler sollys i ulike bølgelengder ser vi hele spekteret - alle regnbuens farger. Lys fra hydrogen-atomet opptrer bare i noen bølgelengder. Lyman-alfa-linjen tilsvarer overgangen mellom det laveste og nest laveste energinivået i hydrogen. Illustrasjon fra Wikipedia.

– Når vi ser på detaljene i Lyman-alfa-linjen kan det si oss noe om hvordan strålingen har sluppet ut fra galaksen og ut i rommet. Det kan hjelpe oss med et stort mysterium: å forklare hvorfor hydrogenet mellom galaksene er ionisert, eller hvordan det ble det, forklarer Dahle.

Da den kosmiske bakgrunnsstrålingen ble sendt ut 380.000 år etter big bang, slo frie elektroner seg sammen med frie protoner og dannet nøytralt hydrogen. Deretter fulgte en lang periode da universet besto av nøytralt hydrogen og helium (i tillegg til mørk materie) fordi det ikke fantes noen stjerner som sendte ut nok stråling til å ionisere hydrogenet.

Mysteriet med det ladede hydrogenet

Hydrogenet mellom galaksene i dagens univers er ladet, eller ionisert.

– Vi forstår ikke helt hvordan det har skjedd, sier Dahle.

For å ionisere hydrogenet trengs ultrafiolett stråling.

– Ser vi på galakser i dag, ser vi ikke UV-stråling med høy nok energi til å ionisere hydrogen, sier astrofysikeren.

Det skyldes at det er så mye nøytralt hydrogen i galaksene at strålingen ikke slipper ut. Strålingen blir absorbert av de nøytrale hydrogenatomene inne i galaksen før den kommer så langt.

– Hvis galaksene tidlig i universets historie var som dagens galakser, har vi ingen forklaring på hvorfor hydrogenet vi finner mellom galaksene er ionisert. På en eller annen måte må mer av strålingen ha sluppet ut enn den gjør i dag, forklarer Dahle.

Det er dette som gjorde oppdagelsen av Solstreifbuen så interessant for astrofysikerne. Lyman alfa-linjen i lyset fra galaksen tyder på at det er ioniserende ultrafiolett stråling som slipper direkte ut fra galaksen.

– Da vi hadde sett denne linjen, sendte jeg en søknad om å bruke Hubble-teleskopet til å observere UV-strålingen fra galaksen, forteller Dahle.

Observasjonstiden ble innvilget og Hubble tok et fabelaktig bilde av galaksehopen med hele tolv dobbeltgjengere av Solstreifbue-galaksen.

Hubble-bilde av en stor galaksehop 4,6 milliarder lysår unna. Omkring hopen ses fire lysende buer, som er kopier av Solstreifbue-galaksen. Lyset fra Solstreifbuen blir bøyd omkring hopen. Et optisk fenomen (gravitasjonslinsing) gjør at vi ser minst 12 forstørrede kopier av galaksen i de fire buene. Illustrasjon: Emil Rivera-Thorsen/ESA/Hubble, NASA

Bildet fikk fortjent oppmerksomhet, men forskerne var enda mer begeistret for målingene av den ultrafiolette strålingen. De viste at det ganske riktig slapp ut slik stråling fra flere områder av Solstreifbuen.

– Nå lurer vi på hva som er spesielt med de delene av galaksen som slipper ut ioniserende UV-stråling. Hva er spesielt med disse områdene? Ligger de i utkanten så stråling slipper lettere ut? Er det fordi stjernene der er ekstra unge og derfor sender ut mer ultrafiolett stråling? Kan de kraftige vindene fra unge massive stjerner blåse hull i hydrogengassen som den ioniserende strålingen kan slippe ut gjennom? Inneholder områdene mindre støv og mindre av grunnstoffene som kan danne støv? Er det noe som roterer, som en skive, som en begynnende spiralgalakse?

– Med James Webb-teleskopet vil vi kunne studere i detalj hva det er som skiller disse områdene fra resten av galaksen, sier Dahle.

Med litt flaks får vi se universets aller første galakser

James Webb-teleskopet vil også kunne se enda lenger tilbake i tid enn til Solstreif-buen. De første galaksene ble til mellom 100 og 200 millioner år etter ursmellet big bang.

– Galakser på den tiden var annerledes enn i dag, de kan mer sammenliknes med en stjernehop, forteller Dahle.

Vår egen galakse, Melkeveien, består av 400 milliarder stjerner, mens de galaksene vi snakker om her kanskje var mer som en klump med 100 000 eller en million stjerner.

– Hubble-teleskopet ser i synlig lys og vil aldri kunne se de første galaksene. På grunn av universets utvidelse er både det synlige lyset og den ultrafiolette strålingen fra de eldste galaksene strukket helt over i det infrarøde området, forklarer Dahle.

James Webb-teleskopets speil er sammensatt av 18 gullbelagte sekskanter. Her under konstruksjon på NASA Goddard Space Flight Center i 2017. Foto: Hilde Lynnebakken/ UiO

Til forskjell fra Hubble-teleskopet skal James Webb se nettopp det infrarøde lyset.

Dahle forteller at forskerne håper å kunne se de aller første galaksene med James Webb.

– Men da trenger vi litt flaks. Vi vet ikke akkurat i hvilke retninger vi skal se for å finne noen, sier han.

– Mange lurer på om vi kan se de aller første stjernene også. Da må vi ha uhyre flaks og vi må ta gravitasjonslinser til hjelp.

Kan lage kunstig stjerneformørkelse

James Webbs fire instrumenter kan brukes og kombineres på 17 ulike måter. Eksempelvis blir det mulig å skygge for lyset fra en stjerne.

– Da blir det lettere å se svake objekter som planeter eller skiver av støv og gass omkring stjerna, forklarer Dahle.

Men tilbake til Solstreifbuen. Vi ser et forstrukket bilde av den slik den var for elleve milliarder år siden. Hvordan er den i dag?

– Kanskje Solstreifbuen har utviklet seg til å bli noe som likner Melkeveien, en mellomstor spiralgalakse? Det kan godt hende, sier Dahle.