Så mycket mer kan vi se med rymdteleskopet James Webb

– De allra första galaxerna, som vi aldrig har kunnat se innan – dem hoppas vi kunna upptäcka nu, säger Jens Melinder, astronom vid Stockholms universitet.

Han är en av de forskare som väntar på det nya rymdteleskopet, James Webb Space Telescope (JWST) – eller till vardags Webb­teleskopet. Det är nästa stora rymdteleskop, efter det berömda Hubbleteleskopet som har kretsat kring jorden sedan 1990 och gett enormt mycket information om universum. Efter många förseningar ska Webb sändas upp i rymden i slutet av 2021. Det är hett efterlängtat av forskare som har ägnat många år åt förberedelserna.

Själv är Jens Melinder med i ett svenskt konsortium som har bidragit till att bygga ett av instrumenten på teleskopet, MIRI. Det började långt före hans tid.

– Det var kanske femton år sedan. Men nu är det jag och min kollega Arjan Bik som arbetar med de här sakerna i Stockholm. Vi har byggt ihop ett forskningsprojekt baserat på att använda MIRI.

När astronomer får ett nytt verktyg brukar de tala om det som ett nytt fönster som öppnas mot universum. Det gör det möjligt att utforska kända företeelser och lära sig mer om dem, och kanske att upptäcka helt nya saker.

Jens Melinder och hans kollegor försöker se tillbaka till den tid då de allra första galaxerna bildades, när universum var bara några hundra miljoner år gammalt. Ljus rör sig snabbare än något annat, men det tar ändå tid – att titta på riktigt avlägsna objekt är därför att titta bakåt i tiden. Med Webbteleskopet kan de skärpa blicken och se längre tillbaka än tidigare.

Från de mest avlägsna galaxerna är det väldigt lite ljus som når ända till oss. Därför behövs Webbteleskopets stora spegelyta som kan samla in mycket ljus. Dessutom kan teleskopet fånga de våglängder av ljuset där de första galaxerna ska synas som bäst.

Forskarsamfundet har höga förväntningar, och det är många som väntar ivrigt på sin chans att använda teleskopet. Det gäller då att ansöka om att få rikta teleskopet mot ett eller flera objekt under ett visst antal timmar, för att få ut den information som behövs för ett specifikt forskningsprojekt.

Den första perioden av observationer har sedan bokats helt full, efter en ansökningsomgång där bara en femtedel av de sökande kunde antas. Jens Melinders grupp får garanterad observationstid eftersom de har bidragit till att utveckla ett av instrumenten ombord. Svenska forskare är också inblandade i flera av de andra projekt som har beviljats.

Astronomerna har haft lång tid på sig att tänka ut vad de vill använda det nya rymdteleskopet till. Redan innan Hubbleteleskopet sändes upp 1990 hade forskare börjat fundera på dess efterföljare, och konkreta planer började smidas redan i mitten av 1990-talet. Från början kallades det för Next generation space telescope, men 2002 uppkallades det efter James E. Webb, som var chef för Nasa under rymdkapplöpningen på 1960-talet.

År 2004 började teleskopet byggas, som ett internationellt samarbete mellan Nasa, den europeiska rymdstyrelsen Esa, och den kanadensiska rymdstyrelsen. Det fanns många utmaningar med designen, bland annat den stora spegeln som måste göras i delar för att över huvud taget gå att få in i en raket. Olika tekniska och praktiska svårigheter fick kostnaderna att skena och konstruktionen att för­dröjas gång på gång. 2011 var det nära att det amerikanska representanthuset drog in finansieringen, men projektet överlevde.

År 2016 var själva teleskopet i stort sett färdigt, men då behövde det gå igenom noggranna förberedelser för att minska riskerna för att något skulle gå fel när det befinner sig i rymden.

Till skillnad från Hubble som kretsar i låg omloppsbana kring jorden, strax ovanför atmosfären, kommer Webb att befinna sig mycket längre bort än månen. Hubbleteleskopet kunde repareras och uppgraderas av astronauter, men när Webbteleskopet väl har skickats ut i rymden kommer det att vara helt oåtkomligt. Allt måste fungera från början, och därför görs omfattande tester i förväg. Flera olika problem har uppdagats och lett till försening efter försening. Dessutom behövde själva bärraketen ställas färdig och testas. Ovanpå det kom en pandemi i vägen.

Men nu ser det ut att äntligen vara dags.

En av de saker som gör Webbteleskopet speciellt och efterlängtat är att det kan se en annan sorts ljus än många andra teleskop.

Synligt ljus är elektromagnetiska vågor, från det blåa ljuset genom hela regnbågen med allt längre våglängd, till rött. Bortom det röda finns vågor som vi inte kan se med ögonen, men om det är tillräckligt starkt känner vi det mot huden som värmestrålning – till exempel från infravärmare vid uteserveringar om kvällen. Det är infrarött ljus, med våglängder från 0,75 mikro­meter och upp till en millimeter. (Ännu mer långvågig strålning kallar vi för mikro­vågor och radiovågor.)

Webbteleskopet har instrument som täcker in våglängderna från 0,6 mikrometer och upp till 28 mikrometer – gult och rött ljus, och långt in i den infraröda delen av spektrumet. Hubbleteleskopet har också en del synförmåga i det infraröda området, men bara upp till 2,5 mikrometer. Med hjälp av Webb kommer forskarna alltså att få tillgång till helt ny information, och i hög upplösning.

Det kommer också att göra det möjligt att studera avlägsna planeter kring andra stjärnor, exoplaneter, på ett helt nytt sätt. En som kommer att utnyttja detta är astronomen Alexis Brandeker. (Se F&F 3/2021, om att söka efter liv på exoplaneter.) Han förklarar att det behövs ett teleskop i rymden, eftersom det inte går att få samma kvalitet på observationerna i infrarött ljus med instrument på jorden.

– Problemet på marken är att vi har en atmosfär emellan, och den strålar själv i infrarött. Himlen lyser, det blir aldrig mörkt, säger Alexis Brandeker.

De teleskop på marken som ändå observerar i infrarött får använda diverse knep, och kan inte få så skarp syn som Webbteleskopet kommer att ha.

Men Webb behöver också ta till en del knep. Teleskopet ska följa jorden i dess bana kring solen genom att kretsa kring en punkt som kallas L2, utanför jordens bana från solen räknat. Själva L2-punkten befinner sig i jordens skugga, men teleskopet kommer att ha en ganska vid bana, så att det hela tiden har ljus på sina solpaneler. Samtidigt kan teleskopet inte fungera som det är tänkt om det värms upp av solen. Därför har det en avancerad solskärm i flera skikt, som fälls ut och skuggar de känsliga instrumenten. Utöver det behöver instrumenten också aktiv kylning.

– Problemet är att i vakuum finns det ingen luft som kan leda bort värmen som genereras av instrumenten själva, förklarar Jens Melinder.

Eftersom infrarött ljus är detsamma som värmestrålning skulle värmen från själva teleskopet bli en störningskälla.

Allt måste fungera, och därför har teleskopet en begränsad livslängd. Kylningen är ett slutet system, så kylvätskan tar inte slut. Däremot innehåller det rörliga delar som slits med tiden. Men den största begränsningen för teleskopets livslängd är bränslet som går åt för att hålla kvar teleskopet i sin bana. När det tar slut går det inte att hålla det stabilt, och då är Webb­teleskopets tid ute.

– Om allt går väl blir det fem år som kommer att vara den bästa fasen för observationer. Sedan kan vi kanske fortsätta, men det blir mindre bra, säger Angela Adamo.

Angela Adamo är galaxforskare vid Stockholms universitet, och leder ett av de program som har blivit antaget till den första omgången av observationer med Webbteleskopet. Hon ser fram emot att få en helt ny inblick i hur stjärnor bildas i andra galaxer.

– När stjärnor bildas är de inbäddade i täta moln av gas och stoft, som blockerar ljuset. Vi behöver titta på värmestrålningen för att kunna se genom stoftet, säger hon.

Sådana moln är själva materialet som stjärnorna bildas av. Stjärnorna påverkar sedan i sin tur sin omgivning, och förändrar de omgivande gasmolnen. Astronomerna har många frågor om hur det här går till, och om tidsskalorna. Bryter stjärnorna ganska snabbt igenom molnen och blir synliga, eller är de länge dolda?

– De här tidsskalorna är viktiga för hur galaxer bildas och bygger upp sin massa, säger Angela Adamo.

Om det går fort har de nya stjärnorna en väldigt kraftfull roll i att reglera stjärnbildningen i den omgivande galaxen. Om det går långsamt betyder det att de mest påverkar sin närmaste omgivning. Det spelar roll för hur många stjärnor som kan bildas i en viss region.

Sådana processer påverkar också hur galaxerna växer och utvecklas. De allra äldsta galaxerna ser annorlunda ut än galaxer gör i dag. Hur detta fungerar i detalj är något som både Angela Adamo och Jens Melinder intresserar sig för. Det finns flera olika vägar som galaxernas utveckling kan ta:

– Galaxerna utvecklas genom att dra till sig gas från det om­givande universum och fortsätta bilda stjärnor. Eller också lyckas de inte med det, och utvecklas till dvärggalaxer. Eller också absorberas de av andra galaxer. Galaxutveckling är väldigt dynamisk, säger Angela Adamo.

Astronomerna kommer att lära sig mycket om detta av Webbteleskopet, genom att jämföra galaxer på olika avstånd och därmed i faser av sin utveckling.

Ett annat viktigt forskningsområde för teleskopet är att titta på planeterna i stjärnsystem i vår egen galax. Alexis Brandeker har siktat in sig på att studera en av de mest närbelägna exo­planeterna av en typ som kallas superjord – en stenig planet som är större än jorden men mindre än gasplaneter som Neptunus. 55 Cancri e tycks vara en stenig planet, och tidigare studier med rymdteleskopet Spitzer har inte kunnat upptäcka någon atmo­sfär. Men det konstiga är att den inte verkar vara som varmast på den punkt som vetter rakt mot stjärnan.

– Den varmaste punkten borde vara mitt på dagen. Men den släpar efter, som på jorden som har atmosfär, säger Alexis Brandeker.

Den här planeten kretsar väldigt nära sin stjärna, så att ett år på planeten är lite kortare än ett dygn på jorden. Så nära borde den alltid vända samma sida mot sin stjärna i en bunden rotation, precis som månen kring jorden. Men då borde inte den varmaste punkten kunna vara någon annanstans än där stjärnan står i zenit.

Frågan är om den har fått någon annan sorts rotation, så att den har hamnat i det astronomerna kallar för en resonans – i likhet med Merkurius, som roterar tre gånger kring sin axel på två varv runt solen. För att avgöra det här vill Alexis Brandeker titta när planeten passerar framför sin stjärna och jämföra hur det ser ut när den försvinner bakom och när den kommer fram igen på andra sidan.

– Med Webb kanske vi kan se att vid varannan passage är det en sida som vetter mot stjärnan, sen en annan sida, säger Alexis Brandeker.

Om det är så kommer det att betyda att de rådande modellerna av hur planetsystem blir till måste omvärderas. Det påverkar också hur man tolkar observationer av andra exoplaneter.

Men forskarna misstänker också att det kan vara andra saker i görningen. Planeten är så nära sin stjärna att den borde vara enormt het. Kanske är det rent av en lavaplanet, som inte stelnar riktigt.

– Om det här stämmer är det här ett ställe där marken smälter och förångas på morgonen, och regnar ner igen på kvällen, säger Alexis Brandeker.

Planeten skulle kunna ha en sorts mineralatmosfär, och då förväntar sig Alexis Brandeker att upptäcka signaturen av förångad kiseldioxid. Med de känsliga instrumenten på Webbteleskopet går det att dela upp ljuset från planeten i ett spektrum av färger, och se om det finns luckor där vissa färger har absorberats av förångade ämnen. Varje typ av molekyl gör sitt eget karaktäristiska avtryck i ett spektrum.

Det finns många forskningsprojekt som väntar på data från Webbteleskopet. Efter raketuppskjutningen tar det ungefär ett halvår innan teleskopet har nått sin rätta plats och alla instrumenten har testats. Sedan kan vi vänta oss en ström av spännande resultat och vetenskapsnyheter.