Nejvýkonnější vesmírný dalekohled, jaký byl kdy postaven, se podívá zpět v čase do temných věků vesmíru

Někteří nazvali vesmírný teleskop Jamese Webba NASA „dalekohledem, který požíral astronomii“. Je to nejvýkonnější vesmírný dalekohled, jaký byl kdy postaven, a složitý kus mechanického origami, který posunul hranice lidského inženýrství. 18. prosince 2021, po letech odkladů a miliardových překročení nákladů, je naplánováno vypuštění teleskopu na oběžnou dráhu a zahájení další éry astronomie.

Jsem astronom se specializací na pozorovací kosmologii. Studuji vzdálené galaxie 30 let. Některé z největších nezodpovězených otázek o vesmíru se týkají jeho prvních let těsně po Velkém třesku. Kdy vznikly první hvězdy a galaxie? Která byla první a proč? Jsem neuvěřitelně nadšený, že astronomové mohou brzy odhalit příběh o vzniku galaxií, protože James Webb byl postaven speciálně pro zodpovězení těchto otázek.

„Temný věk“ vesmíru

Vynikající důkazy ukazují, že vesmír začal událostí zvanou Velký třesk před 13,8 miliardami let, která jej zanechala v ultra horkém a ultra hustém stavu. Vesmír se po velkém třesku začal okamžitě rozpínat a přitom se ochlazoval. Jednu sekundu po velkém třesku měl vesmír průměr sto bilionů mil s průměrnou teplotou neuvěřitelných 18 miliard stupňů Fahrenheita (10 miliard miliard stupňů Celsia). Přibližně 400 000 let po Velkém třesku měl vesmír průměr 10 milionů světelných let a teplota se ochladila na 5 500 stupňů F (3 000 stupňů C). Kdyby tam někdo byl a viděl to v tomto bodě, vesmír by zářil matně červeně jako obří tepelná lampa.

Po celou tuto dobu byl prostor naplněn hladkou polévkou vysokoenergetických částic, záření, vodíku a helia. Nebyla tam žádná struktura. Jak se rozpínající se vesmír zvětšoval a ochlazoval, polévka ztenčila a vše zčernalo. To byl začátek toho, co astronomové nazývají „temný věk“ vesmíru.

Polévka temných věků nebyla dokonale jednotná a vlivem gravitace se drobné oblasti plynu začaly shlukovat a stávat se hustšími. Hladký vesmír se stal hrudkovitým a tyto malé shluky hustšího plynu byly zárodky pro případné formování hvězd, galaxií a všeho ostatního ve vesmíru.

Ačkoli nebylo nic vidět, doba temna byla důležitou fází ve vývoji vesmíru.

Světlo z raného vesmíru je v infračervené vlnové délce – což znamená delší než červené světlo – když dosáhne Země. (Kredit: Inductiveload/NASA přes Wikimedia Commons, CC BY-SA)

Hledá se první světlo

Doba temna skončila, když gravitace vytvořila první hvězdy a galaxie, které nakonec začaly vyzařovat první světlo. Ačkoli astronomové nevědí, kdy došlo k prvnímu světlu, nejlepší odhad je, že to bylo několik set milionů let po velkém třesku. Astronomové také nevědí, zda se nejprve vytvořily hvězdy nebo galaxie.

Současné teorie založené na tom, jak gravitace formuje strukturu ve vesmíru, kterému dominuje temná hmota, naznačují, že malé objekty – jako hvězdy a hvězdokupy – se pravděpodobně nejprve vytvořily a později se rozrostly do trpasličích galaxií a poté do větších galaxií, jako je Mléčná dráha. Tyto první hvězdy ve vesmíru byly ve srovnání s dnešními hvězdami extrémními objekty. Byli milionkrát jasnější, ale žili velmi krátce. Hořely žhavě a jasně, a když zemřely, zanechaly za sebou černé díry o hmotnosti stonásobku hmotnosti Slunce, které mohly fungovat jako zárodky pro formování galaxií.

Astronomové by rádi studovali tuto fascinující a důležitou éru vesmíru, ale detekce prvního světla je neuvěřitelně náročná. Ve srovnání s dnešními masivními jasnými galaxiemi byly první objekty velmi malé a díky neustálému rozpínání vesmíru jsou nyní od Země vzdáleny desítky miliard světelných let. Také nejstarší hvězdy byly obklopeny plynem, který zbyl z jejich formování, a tento plyn se choval jako mlha, která absorbovala většinu světla. Trvalo několik set milionů let, než radiace odpálila mlhu. Toto rané světlo je v době, kdy se dostane na Zemi, velmi slabé.

Ale to není jediná výzva.

Jak se vesmír rozpíná, neustále natahuje vlnovou délku světla, které jím prochází. Tomu se říká červený posuv, protože posouvá světlo kratších vlnových délek – jako je modré nebo bílé světlo – na delší vlnové délky, jako je červené nebo infračervené světlo. I když to není dokonalá analogie, je to podobné, jako když kolem vás projíždí auto, výška všech zvuků, které vydává, znatelně klesá.

V době, kdy světlo vyzařované ranou hvězdou nebo galaxií před 13 miliardami let dosáhlo jakéhokoli dalekohledu na Zemi, se rozpínáním vesmíru prodloužilo o faktor 10. Přichází jako infračervené světlo, což znamená, že má vlnovou délku delší než červené světlo. Abyste viděli první světlo, musíte hledat infračervené světlo.

Dalekohled jako stroj času

Vstupte do vesmírného dalekohledu Jamese Webba.

Dalekohledy jsou jako stroje času. Pokud je objekt vzdálený 10 000 světelných let, znamená to, že světlu trvá 10 000 let, než dosáhne Země. Čím dále ve vesmíru se astronomové dívají, tím dále zpět v čase se díváme my.

The James Webb Space Telescope was specifically designed to detect the oldest galaxies in the universe. (Image credit: NASA/Desiree Stover, CC BY)

Inženýři optimalizovali Jamese Webba pro specifickou detekci slabého infračerveného světla nejstarších hvězd nebo galaxií. Ve srovnání s Hubbleovým vesmírným dalekohledem má James Webb 15krát širší zorné pole na své kameře, sbírá šestkrát více světla a jeho senzory jsou vyladěny tak, aby byly nejcitlivější na infračervené světlo.

Strategií bude hluboce zírat na jeden kousek oblohy po dlouhou dobu a sbírat co nejvíce světla a informací z nejvzdálenějších a nejstarších galaxií. S těmito údaji může být možné odpovědět, kdy a jak skončila doba temna, ale existuje mnoho dalších důležitých objevů, které je třeba učinit. Například rozluštění tohoto příběhu může také pomoci vysvětlit povahu temné hmoty, záhadné formy hmoty, která tvoří asi 80 % hmoty vesmíru.

James Webb je technicky nejobtížnější misí, jakou se kdy NASA pokusila. Ale myslím si, že vědecké otázky, které může pomoci zodpovědět, budou stát za každou špetku úsilí. Já a další astronomové vzrušeně čekáme, až se data začnou vracet někdy v roce 2022.

Tento článek byl původně publikován v The Conversation. Publikace přispěla článkem do Expert Voices: Op-Ed & Insights na Space.com.
Chris Impey, univerzitní významný profesor astronomie, University of Arizona

Zdroj: https://www.space.com/most-powerful-space-telescope-jwst-will-look-back-in-time