De telescoop van Webb is nog maar net begonnen

BALTIMORE – Tot nu toe is het een lust voor het oog: een uitgestrekte zwarte ruimte die wemelt van onbegrijpelijk verre, onbegrijpelijke lichtvlekken. Spookachtige beelden van Neptunus, Jupiter en andere buren die we al dachten te kennen. Nevels en sterrenstelsels gezien door de doordringende infrarode ogen van de James Webb Space Telescope.

De telescoop, genoemd naar James Webb, directeur van NASA tijdens de boost voor de Apollo-maanlandingen, is een gezamenlijk project van NASA, de European Space Agency en de Canadian Space Agency. Het lanceerde de kerst van een jaar geleden – na twee decennia van problemen en $ 10 miljard – toen missie om het universum te observeren In golflengten die het menselijk oog niet kan zien. Met een 21-voet brede primaire spiegel is Webb zeven keer krachtiger dan zijn voorganger, de Hubble-ruimtetelescoop. Afhankelijk van de berekeningsmethode kan een uur observatietijd op de telescoop NASA $ 19.000 of meer kosten.

Maar noch NASA, noch astronomen hebben al dat geld en politiek kapitaal alleen voor de prachtige foto’s betaald – en niemand klaagt.

“De eerste beelden waren nog maar het begin”, zegt Nancy Levinson, interim-directeur van het Space Telescope Science Institute, dat zowel Webb als Hubble beheert. “Er is meer nodig om er echte wetenschap van te maken.”

Drie dagen lang vulden zo’n 200 astronomen in december een zaal van het instituut om de eerste resultaten van de telescoop te horen en te bespreken. Volgens de organisatoren waren er nog zo’n 300 mensen online te zien. Het evenement was een late viering van de succesvolle lancering en opening van Webb en een vooruitblik op de mooie toekomst.

Een voor een stapten astronomen het podium op, praatten snel om aan de limiet van 12 minuten te voldoen en lanceerden zichzelf in een wereld van ontdekking. Sterrenstelsels die, zelfs in hun relatieve jeugd, al superzware zwarte gaten hebben geproduceerd. Atmosferische studies van enkele van de zeven rotsachtige exoplaneten in een baan om Trappist 1, een rode dwergster die mogelijk bewoonbare planeten herbergt. (De gegevens suggereren dat ten minste twee van de exoplaneten de massieve atmosferen van oerwaterstof missen die het leven zoals wij dat kennen zouden verstikken, maar mogelijk zwakke atmosferen van dichtere moleculen zoals water of koolstofdioxide.)

“We zijn in business”, verklaarde Bjorn Beneke van de Universiteit van Montreal, die gegevens over een exoplaneet verstrekte.

Megan Reiter van de Rice University nam haar collega’s mee op een “diepe duik” door de kosmische kliffen, een bewolkt broeinest van stervorming in het sterrenbeeld Carina, ooit een favoriet snoepje in de lucht. Het volgt hoe stralen van nieuwe sterren, schokgolven en ioniserende straling van nabije, massievere sterren die bij een hoge temperatuur zijn geboren, de kosmische geografie voortdurend veranderen en ervoor zorgen dat er nieuwe sterren ontstaan.

“Dit zou een model kunnen zijn van wat onze zon doormaakte toen hij werd gevormd”, zei Dr. Reiter in een interview.

Tussen de presentaties door, aan de zijlijn en in de wandelgangen, feliciteren de topastronomen die in 1989 aanwezig waren toen het idee van de Webb-telescoop voor het eerst ter sprake kwam elkaar en delen oorlogsverhalen over de ontwikkeling van de telescoop. Ze snakten hoorbaar naar adem toen de kinderen de gegevens presenteerden die hun prestaties met Hubble opblies.

Jane Rigby, de projectwetenschapper van de telescoop, herinnerde zich haar emotionele onrust een jaar geleden toen de telescoop eindelijk op het punt stond gelanceerd te worden. Het instrument is ontworpen om zich in de ruimte te ontvouwen – een complex proces met 344 “single point failures” – en alleen Dr. Rigby kan ze keer op keer tellen.

“Ik was in ontkenning”, zei ze in Baltimore. Maar de lancering en implementatie verliepen vlekkeloos. Nu zei ze: “Ik leef de droom.”

“Het is net ontploft”, zei Garth Illingworth, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die in 1989 een belangrijke bijeenkomst voorzat bij het Space Telescope Science Institute die uiteindelijk leidde tot Webb.

Tijdens een receptie na de eerste dag van de bijeenkomst hief John Mather van NASA’s Goddard Space Flight Center en hoofdwetenschapper van Project Webb vanaf het begin het glas op de 20.000 mensen die de telescoop bouwden, de 600 astronomen die hem in de ruimte testten en de nieuwe generatie wetenschappers die het gaan gebruiken.

“Sommigen van jullie waren nog niet eens geboren toen we dit begonnen te plannen,” zei hij. “Bezitten!”

weg machine

Tot nu toe heeft de telescoop, boordevol camera’s, spectrometers en andere instrumenten, de verwachtingen overtroffen. (De analytische kracht is twee keer zo groot als geadverteerd.) Dr. Rigby meldt dat de vlekkeloze lancering van de telescoop hem voldoende manoeuvreerbrandstof heeft gegeven om hem 26 jaar of langer te laten draaien.

“Dat zijn gelukkige cijfers”, zei ze terwijl zij en haar collega’s de prestatiestatistieken van hun machines doorzochten. Dr. Rigby waarschuwde dat de instrumenten van de telescoop nog steeds worden gekalibreerd, dus de cijfers kunnen nog veranderen. Bereid je voor om je resultaten opnieuw te berekenen met een druk op de knop, zei ik tegen een groep astronomen in de lobby: “Anders ga je je leven haten.”

Misschien heeft de grootste Webb-verrassing tot nu toe betrekking op gebeurtenissen in het vroege millennium van het universum. Het lijkt erop dat sterrenstelsels sneller sterren vormden, voortbrachten en voedden dan in de strijd geteste kosmologische modellen schatten.

“Hoe komen sterrenstelsels zo snel vooruit?” vroeg Adam Riess, een Nobelprijswinnaar in de natuurkunde en kosmoloog van de Johns Hopkins University, die vandaag aanwezig was.

Het verkennen van die provincie – de ‘kosmische lente’, zoals een astronoom het noemde – is het doel van verschillende internationale samenwerkingen met acroniemen zoals JADES (Advanced Deep Extragalactic Survey), CEERS (Cosmic Evolution for Early Launch Science) en GLASS (Grism Lens -Amplified Survey) vanuit de ruimte) en PEARLS (Primary Extragalactic Regions for Reionization and Lensing Science).

De infraroodvisie van Webb staat centraal bij deze inspanningen. Naarmate het universum uitdijt, bewegen verre sterrenstelsels en hemellichamen zich zo snel van de aarde af dat hun licht wordt uitgerekt en omgezet in onzichtbare infrarode golflengten. Na een bepaald punt wijken de verste sterrenstelsels zo snel terug, hun licht uitgestrekt in golflengte, dat het zelfs voor de Hubble-telescoop niet zichtbaar is.

De Webb-telescoop is ontworpen om deze regio’s te detecteren en te verkennen die het universum vertegenwoordigen dat slechts een miljard jaar oud is, toen de eerste sterrenstelsels begonnen te bloeien met sterren.

“Het kost tijd voordat materie afkoelt en dicht genoeg wordt om sterren te laten ontbranden”, merkte Emma Curtis Lake van de Universiteit van Hertfordshire en lid van het JADES-team op. Ze voegde eraan toe dat de snelheid van stervorming een hoogtepunt bereikte toen het universum vier miljard jaar oud was, en sindsdien is afgenomen. Het heelal is nu 13,8 miljard jaar oud.

Astronomen meten kosmische afstanden met een parameter die de roodverschuiving wordt genoemd en die aangeeft hoeveel het licht dat van een ver object komt wordt uitgerekt. Nog maar een paar maanden geleden werd een roodverschuiving van 8, wat overeenkomt met een tijd waarin het universum ongeveer 646 miljoen jaar oud was, als een hoge roodverschuiving beschouwd. Dankzij Dr. Curtis Lake en haar collega’s is de standaard roodverschuiving nu 13,2, wat overeenkomt met de tijd dat het universum slechts 325 miljoen jaar oud was.

Dr. Curtis-Lake en haar team hadden de telescoop gericht op een stukje hemel genaamd God’s South, op zoek naar sterrenstelsels die Hubble niet kon zien. En ja hoor, het waren er vier, geesten in de nevel van Creation Heat. Latere metingen bevestigden dat ze inderdaad terug in de tijd ging.

“We wilden niet zeggen dat we dat dachten – in het openbaar”, zei JADES-lid Brant Robertson van de University of California, Santa Cruz.

Het record zal naar verwachting niet lang standhouden. De CEERS-samenwerking heeft een kandidaat-melkwegstelsel gemeld Het kan een roodverschuiving van 16 hebbenaangezien het universum slechts 250 miljoen jaar oud was.

Deskundigen debatteren al of deze overbelaste sterrenstelsels iets fundamenteels onthullen, en over het hoofd worden gezien, in de huidige theorieën over het vroege universum. Misschien verhoogde een veld of invloed de zwaartekracht op dat moment, waardoor de groei van sterrenstelsels en zwarte gaten werd versneld. Of misschien weerspiegelen de discrepanties gewoon de wetenschappelijke scepsis over de rommelige details — de ‘gasfysica’ — van stervorming.

In de afgelopen 20 jaar hebben astronomen een solide “standaardmodel” verfijnd van een universum dat bestaat uit donkere energie, donkere materie en een kleine groep atomaire materie. Het is te vroeg om dit paradigma te doorbreken, zei dr. Curtis Lake in een interview. Webb had misschien drie decennia van bewaking voor de boeg. “We zijn in de vroege stadia,” zei ze.

Het afsluitende gesprek viel op Dr. Mather. Hij beperkte de geschiedenis van de telescoop en schreeuwde naar Barbara Mikulski, de voormalige senator van Maryland, die het project in 2011 steunde toen het dreigde te worden geannuleerd. Hij gaf ook een voorproefje van NASA’s volgende grote act: een 12-meter ruimtetelescoop genaamd de Habitable Worlds Observatory die planeten zoekt en bestudeert.

Hij zei: “Alles wat we deden was het waard.” “Dus hier zijn we: dit is een galafeest, kijk eens naar wat hier is. Het is niet het laatste wat we gaan doen.”