Giganter jakter på tittelen som fremtidens viktigste teleskop

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.