Giganter jakter på tittelen som fremtidens viktigste teleskop

Nasa har allerede snevret inn jakten på 2030-tallets store romteleskop, selv om det kommende flaggskipet, James Webb, fortsatt ikke er sendt opp. Valget avgjør om vi får se universets fødsel eller fremmed liv.

NASA

Med over 1000 km/t går James Webb-teleskopet i bane rundt jorda før kursen settes mot det endelige reisemålet 1,4 millioner kilometer unna. Her folder teleskopet ut speilet, som i ti år skal fange inn lyset fra universets tidligste galaksefødsler og ta bilder av fjerne eksoplaneter.

Slik forløper prosjektet etter planen, når Nasa i 2021 skal skyte opp sitt nye superteleskop. Men allerede før oppskytningen ligger James Webb-teleskopets framtidige avløser, som om om lag 20 år skal overta tittelen som romteleskopenes flaggskip, på tegnebrettet.

Neste år avgjør USAs vitenskapsakademi om avløseren skal hete enten Lynx, Luvoir, Habex eller Origins.

De fire helt ulike kandidatene for framtidens superteleskop konkurrerer nå om å bevege seg fra idé til realitet. Hver av dem kan løse et utall av astronomiens gåter.

Hvis alle fire skulle bli sendt opp, ville de oppklare hvordan de første svarte hullene ble dannet, forklare hvor planeters vann kommer fra, og peke ut Melkeveiens beste kandidater til planeter med liv.

Men bare ett av teleskopene vil bli bygget og sendt opp.

Teleskoper tråler lysets spektrum

De framtidige romteleskopene fanger inn stråling i ulike bølgelengder, noe som avgjør om de kan se skyer av gass og støv samle seg til planetsystemer eller svarte hull sluke gass.

Kandidat 1: Lynx følger svarte hulls etegilde

Teleskopet kan oppklare hvorfor de første supertunge svarte hullene ble enorme på kort tid – ved å observere røntgenstråler fra prosessen.

Kandidat 2: Luvoirs kjempespeil favner bredt

Det store speilet til Luvoirs kan se galakser bli født, enkelte stjerner i fjerne galakser og beboelige steinplaneter i Melkeveien.

Kandidat 3: Habex søker jordas tvilling

Molekyler som vann, oksygen og CO2 setter spor i atmosfærer og indikerer om det er liv på en planet. Habex finner en mulig ny jord.

Kandidat 4: Origins følger vannets romreise

Iskalde gasskyer føder stjernesystemer, og Origins ser skyenes infrarøde stråling, som for eksempel kan røpe om planeter har vann.

Svarte hull skal under lupen

Drøm stort, men drøm realistisk. Slik lød oppgavebeskrivelsen for fire grupper med hundrevis av forskere som i juni, etter fire års arbeid, presenterte sine forslag til det neste store romteleskopet, som skal sendes opp på 2030-tallet.

Realismen innebærer at det nye flaggskipet ikke skal ende som James Webb, som skulle koste en milliard dollar og bli sendt opp i 2018. Nå ser prisen ut til å lande på over 8,8 milliarder dollar, og alt sammen blir minst tre år forsinket, fordi teknikerne fortsatt strever med løse bolter og flenger i solseilet.

De fire nye forslagene er mer gjennomarbeidet fra begynnelsen og demper derfor risikoen for å sprenge budsjettet og tidsrammen.

Realismen har ikke stanset forskerne fra å drømme veldig store drømmer. Røntgenteleskopet Lynx skal utstyres med et speil med en diameter på tre meter, som ifølge designrapporten blir hundre ganger mer følsomt enn ESAs planlagte røntgenteleskop, Athena, som skal sendes opp i 2028.

200 kilo kommer det sirkulære speilet til Lynx til å veie

Lynx skal for eksempel spole tiden igjen til universets spede barndom og oppklare hvordan de første supertunge svarte hullene i de første galaksene fikk sine enorme masser mye raskere enn kosmologiske teorier kan forklare.

Ifølge den klassiske teorien var spirene til de første supertunge svarte hullene universets første kjempestjerner, som eksploderte som supernovaer og etterlot svarte hull på om lag 100 solmasser. Hullene tiltrakk hverandre og begynte raskt å vokse ved å suge inn store mengder gass fra sine omgivelser.

Problemet med teorien er at astronomene har oppdaget at det allerede 700 millioner år etter big bang fantes supertunge svarte hull med 800 millioner solmasser. Selv med konstant tvangsfôring av gass og kjempestjerner kan ikke teorien forklare hvordan de første supertunge svarte hullene kunne bli så kolossale så raskt.

En ny teori forutsier på den bakgrunnen at de svarte hullenes grunnlag var mye større spirer på opp til en million solmasser, som oppsto når store gasskyer kollapset til svarte hull.

Lynx har et avansert speil, og det skal blant annet teste den nye teorien ved å observere røntgenstrålingen som ekstremt varme gasskyer sender ut når de virvler rundt supertunge svarte hull på vei mot intetheten.

Mens supertunge svarte hull sluker gasser, suser enorme jetstrømmer av partikler med elektrisk ladning ut fra området. Strømmene spyr gass med en temperatur på flere millioner grader ut av det svarte hullets galakse og ut i det intergalaktiske rommet, der de tynne gassene er nesten usynlige for dagens teleskoper.

Astronomer mener at disse gasskyene rommer opptil 40 prosent av den normale massen i universet. Observasjoner med Lynx viser omfanget av strålingen fra gasskyene og dermed om teorien holder stikk.

Kjempespeil zoomer inn på planet

Lynx dekker et spesifikt behov og bølgelengdeområde, mens det største av de fire foreslåtte romteleskopene, Luvoir, som forgjengeren Hubble, oppfyller mange og ganske ulike formål. Den avgjørende forskjellen er at Luvoir får et hovedspeil med en diameter på 15 meter, mot Hubbles 2,4 meter.

Kandidat 2: Gigantisk skjerm for superteleskop

1 / 4

undefined

1234

Luvoirs 15 meter brede hovedspeil blir verdenshistoriens største romteleskop hvis det blir sendt opp i 2039. Nasa fyller Luvoir med utskiftbare moduler, fintfølende sensorer og enorme skjermer for å sikre observasjoner i 25 år.

© Claus Lunau

Det enorme speilet vil fange inn langt mer lys i de bølgelengdeområdene der universet lyser sterkest: ultarfiolett, synlig lys og infrarødt. Dette setter Luvoir i stand til å fotografere individuelle stjerner i fjerne galakser – noe som så langt har vært umulig.

Teleskopet skal dessuten for ta bilder av jordlignende steinplaneter som går i bane rundt stjerner på størrelse med sola.

Inntil nå har teleskoper bare fotografert 46 eksoplaneter direkte, og det er supergassgiganter med opp til elleve ganger Jupiters masse som går i bane veldig langt fra stjernen.

Å ta bilder av en liten steinplanet tett på en sterkt lysende stjerne som sola er mye mer krevende, fordi gjenskinnet fra planeten er ti milliarder ganger svakere enn lyset fra stjernen. Et av Luvoirs instrumenter løser problemet med en skive inne i kikkerten, kalt en koronagraf, som blokkerer lyset fra stjernen.

Derfor vil teleskopet kunne fange det svake gjenskinnet fra en steinplanet og fotografere jordas tvillinger.

15 meter i diameter vil gjøre Luvoirs speil til verdens største teleskop.

Basert på observasjoner fra romteleskopet Kepler mener astronomer at steinplaneter på størrelse med jorda går i bane rundt hver fjerde av Melkeveiens sollignende stjerner i den beboelige sonen omkring stjernen der flytende vann kan eksistere.

Og nettopp vann er det nok det viktigste sporet i teleskopenes jakt etter svar på spørsmålet: Finnes det liv andre steder i universet?

Atmosfæren rommer spor etter liv

Mens Luvoir peker ut jordlignende planeter, kan det også plukke opp spektra av klodenes atmosfære. Når lys fra den nærmeste stjernen reflekteres på en planets overflate og passerer ut gjennom atmosfæren, absorberer ulike molekyler ulike bølgelengder i lyset.

Spektra avslører ikke bare molekylenes nærvær i atmosfæren, men også konsentrasjonene. Hvis det for eksempel observeres så mye oksygen at det ikke kan forklares med livløs kjemi, har teleskopet funnet et tegn på en planet med fotosyntetiske planter eller bakterier.

En annen sladrehank er metan, som bakterier og drøvtyggende dyr som sauer og kuer produserer. Hvis flere indikatorer viser seg i atmosfærene, kan Luvoir ha funnet en planet med liv.

Luvoirs konkurrent innen det samme bølgelengdeområdet heter Habitable Exoplanet Imaging Mission, eller bare Habex.

Kjemi avslører kloder med liv

Romteleskopene Habex og Luvoir kan blokkere lyset fra stjerner og se steinplaneter. Gjenskinn fra planetene avslører hva atmosfærene rundt den inneholder og dermed om det er liv der.

  • Vanndamp

    Vanndamp (H2O) i atmosfæren kan tyde på hav og grunnlag for liv.

  • Oksygen og ozon

    Oksygen (O2) og ozon (O3) kan stamme fra fotosyntese i planter og bakterier.

  • Metan

    Metan (CH4) dannes som regel av levende organismer slik som bakterier.

  • Karbondioksid

    Karbondioksid (CO2) pustes ut av dyr, men kan også skyldes vulkaner.

Teleskopet har et speil på fire meter i diameter og kan finne langt færre jordlignende planeter enn Luvoir.

Til gjengjeld vil bildene av jordlignende planeter omkring nære stjerner i galaksen være helt suverene fordi teleskopet skal fly i formasjon med en stjerneskygge som blokkerer stjernens lys bedre enn en koronagraf.

Stjerneskyggen består av en blomsterformet skive med en diameter på 72 meter, som foldes ut i siktelinjen mellom Habex og en sollignende stjerne med et planetsystem – akkurat som månen under en total solformørkelse.

En 72 meter bred stjerneskygge skal blokkere lyset fra stjerner, slik at teleskopet Habex kan analysere atmosfærene til planeten.

© NASA & Shutterstock

Teleskopet skal imidlertid først undersøke 111 stjerner for å peke ut planeter i den beboelige sonen. Deretter blir stjerneskyggen flyttet inn foran Habex ved hjelp av en rakettmotor.

Forskerne mener at stjerneskyggen har drivstoff nok til å flytte rundt og finstudere ni utvalgte stjernesystemer, gjennomfotografere planetene og ta opp ekstremt detaljerte spektra av atmosfærene i jakten etter jorda 2.0.

Spesialister skal oppklare universets store gåter

Det store Luvoir-romteleskopet vil, som forgjengeren Hubble, utføre en rekke oppgaver, mens konkurrentene Lynx, Habex og Origins er spesialister.

Observasjoner med de tre teleskopene kan avsløre hvordan supertunge svarte hull fødes, hvor vi skal finne spor av liv i vårt galaktiske nabolag, og hvordan lyset fra de første stjernene i universet så ut.

Kandidat 1: Lynx

Lynx fanger røntgenstråler fra urtiden med labyrintisk speil. De første supertunge svarte hullenes raske vekst skal Lynx observere gjennom den røntgenstrålingen som sendes ut når svarte hull sluker for eksempel gass.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Røntgen går tvers gjennom et speil med mindre strålene så vidt streifer det. Derfor har Lynx hundrevis av speil i konsentriske ringer, som bøyer strålene inn i detektoren.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Detektorens spektrometer måler bølgelengder, og kameraet fotograferer strålenes kilde.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Kandidat 3: Habex

Habex finner tegn på liv med fjerntliggende parasoll. Med en 72 meter bred stjerneskygge kan teleskopet Habex sjekke om potensielt beboelige steinplaneter har tegn til liv.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Plassert i siktlinjen 124 000 kilometer foran Habex blokkerer skyggen for stjernen, slik at gjenskinnet fra omkringliggende planeter, som er ti milliarder ganger svakere enn stjernelyset, trår tydelig fram.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Kandidat 4: Origins

Origins ser universets første stjerner med frossent speil. Da universets første stjerner begynte å lyse par hundre millioner år etter big bang, sendte de ut synlig lys, som universets utvidelse har strukket ut til fjerninfrarøde bølgelengder.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Origins kan se de forlengede bølgene med et ekstremt nedkjølt speil og en enda kaldere detektor som motvirker forstyrrelser fra varmestråler. Den ytre solskjermen blokkerer for sollys på opptil 77 grader

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Den indre skjermen isolerer og kjøler til -238 grader celsius

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Detektorene kjøles ned til bare 0,05 grader over det absolutte nullpunktet på -273,15 grader.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Iskaldt teleskop søker vannets vei

Grunnlaget for å finne liv i verdensrommet er å finne planeter der det er flytende vann. Steinplaneter som jorda rommet i sine første år trolig veldig lite vann, og hvordan de senere ble dekket av hav, er et ubesvart spørsmål.

Forklaringen skal Origins Space Telescope finne ved å følge vannets reise fra de iskalde, intergalaktiske skyene med temperaturer på omkring minus 263 grader, som kollapset til sollignende stjerner, og videre gjennom den skiven av støv og gass omkring stjernene som føder planeter, helt inn til de unge steinplanetene som går i bane rundt stjernen i planetsystemenes sentrum.

Origins Space Telescope skal – med et hovedspeil på 9,1 meter – observere i lysets infrarøde spektrum helt ut til det ytterste såkalte fjerninfrarøde området. Dermed kan romteleskopet fange stråling fra ekstremt kalde fenomener, med temperaturer på ned til minus 268 grader.

Romteleskopets navn, «opprinnelser», skal forstås helt bokstavelig. Origins vil kunne se helt tilbake til det kosmiske morgengryet, da de første stjernene oppsto, noen få hundre millioner år etter big bang.

Origins kartlegger vannets vei

Teleskopet Origins skal observere iskald infrarød stråling fra unge stjernesystemer og følge vannmolekylers reise fra systemenes opprinnelige gasskyer til havene på steinplaneter. Reisen kan avsløre hvor jordas livgivende vann stammer fra.

1. Sola ble kanskje født i vann

Når tette gasskyer i galakser kjøles til -263 grader celsius, kollapser skyen og føder en stjerne, omkretset om av en skive av støv og gass som danner planeter. De gasskyene som føder sollignende stjerner, antas å romme store mengder vann, mens vannmengdene er mindre i skyene som danner dvergstjerner. Origins skal teste teorien på tusenvis av stjerner av ulike typer.

2. Is bombarderer steinplaneter

Tett på en nyfødt stjerne fordamper vannet og samler en krans av tørre, primitive kloder – planetkimer – som samles i steinplaneter. Lenger ute fryser de våte kimene til is, som ifølge en ny teori blir slynget lenger inn i systemet tvers over frostgrensen og innebygget i mantelen på steinplanetene. Origins kan teste om iskimer virkelig flytter vannet i et nytt planetsystem.

3. Vannet reiser over tid

Ifølge den tradisjonelle teorien er steinplaneter tørre når de blir til og får senere tilført vann fra kometer og asteroider. Origins kartlegger hvor vannet befinner seg i planetsystemer med ulike aldre og utviklingstrinn, og kan dermed følge vannets plassering over tid – fra de ytre sonene, der det dannes kometer, gjennom vannrike asteroidebelter og inn til steinplanetene.

De førstefødte var ifølge teorien kjempestjerner med hundrevis av solmasser og 100 000 grader varme overflater, som sendte ut massevis av synlig lys og ultrafiolett stråling, før de eksploderte som supernovaer.

I dag er lys fra gigantene blitt strukket ut til kald fjerninfrarød stråling på grunn av universets utvidelse, og Origins vil som det første teleskopet noensinne kunne se lyset fra dem.

Budsjetter avgjør oppdagelser

Bare ett av de fire teleskopene blir utvalgt, men allerede nå er alle designer mer detaljerte og gjennomarbeidede enn da James Webb-romteleskopet ble utvalgt som flaggskip i 2001, og da WFIRST-teleskopet ble valgt ti år senere.

Begge prosjektene har sprengt budsjettene. James Webb blir nesten ni ganger dyrere enn planlagt, og WFIRST trenger en ekstrabevilgning på minst 400 millioner dollar utover de budsjetterte 3,2 milliarder dollar, før teleskopet har forlatt tegnebrettet.

WFIRST står tidligst klar i 2025, da det blant annet skal peile seg inn på den mystiske mørke energien som får universets utvidelse til å gå stadig raskere.

James Webb-teleskopets gullspeil på 6,5 meter i diameter kan med sitt infrarøde syn se 13,5 milliarder tilbake år i tiden og oppleve de første stjernene og galaksene bli dannet.

© NASA Goddard

De nye planene er sendt gjennom en beinhard realitetssjekk, der forskergruppene har brukt en database over de virkelige kostnadene til ulike instrumenter, basert på data fra 150 tidligere prosjekter.

De fire kandidatene til 2030-tallets astronomiske flaggskip kommer i to versjoner: en luksusutgave til maksimalt åtte milliarder dollar og en økonomimodell til tre–fem milliarder dollar, der teleskopets hovedspeil typisk er mindre. Luvoirs store utgave har for eksempel et speil på 15 meter i diameter, mens økonomimodellens speil strekker seg over åtte meter.

Vinneren avgjør om vi på 2040-tallet forstår universets barndom eller oppdager liv på andre planeter.

Les også:

Teleskop

Nytt superteleskop gir knivskarp utsikt til universet

14 minutter
Teleskop

Farvel til den beste planetjegeren

4 minutter
Solstormer
Teleskop

Superteleskop skal overvåke solstormer

1 minutt

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!