Superteleskopets första år

James Webb-teleskopet sändes ut i rymden på juldagen 2021, efter åratal av förseningar. Sommaren 2022 började teleskopet ge vetenskapliga data efter en period av testning. Ett år senare har många forskare den första omgången data från de observationer de så ivrigt längtat efter.

Teleskopet fångar upp infrarött ljus och kan på så vis se saker som inte syns i bilder från till exempel Hubble-teleskopet. Mängder av astronomer och ingenjörer har arbetat med det nya teleskopet, som hade planerats i ungefär trettio år. Nu börjar den enorma investeringen av tid och pengar att betala sig. Teleskopet fungerar mycket bra, vilket syntes redan i de första bilderna.

– De är dubbelt så bra som förväntat. Man hade gjort ganska konservativa uppskattningar av vad man skulle kunna göra, för att man inte ville lova för mycket, säger Göran Östlin, professor i astronomi vid Stockholms universitet.

”Dubbelt så bra” innebär att det går att se objekt med halva ljusstyrkan jämfört med vad forskarna hade räknat med. Upplösningen är också mycket bra, så det går att urskilja små detaljer som ingen tidigare sett i dessa våglängder av ljus.

Något som blev uppenbart redan från början var att det verkar finnas många fler galaxer i det tidiga universum än astronomerna hade räknat med. Det har gett upphov till diskussioner och en uppsjö av vetenskapliga publiceringar. Göran Östlin vill tona ner detta lite.

– En del har sagt att det här innebär jättestora problem för vår förståelse av hur galaxer bildas. Så är det kanske inte riktigt, säger han.

Det är helt klart att det nya teleskopet har bjudit på överraskningar som säkert kommer att leda till uppdateringar av modellerna för det tidiga universum. Men än så länge är mycket oklart. Jens Melinder som jobbar i samma forskargrupp påpekar att det är ett mycket litet område av himlen som täcks in av varje bild, och hittills har man bara sett några enstaka av de mest avlägsna galaxerna.

– Är det här lilla fältet representativt för hela universum? Det är en fråga man måste ställa sig. Vi vet inte så mycket om hela galaxpopulationen så långt borta, säger Jens Melinder.

Varje försök att göra statistiska beräkningar som ska gälla hela universum blir än så länge väldigt osäkert.

– Om du bara ser en liten spets av isberget så får du gissa hur mycket som finns under ytan, säger Göran Östlin.

För att förstå det här metaforiska isberget av galaxer behöver forskarna mer data. När ett faktiskt isberg observeras i havet går det att beräkna hur stort det är under ytan, eftersom isens och vattnets densitet är känd. När det gäller det tidiga universum fattas motsvarande information för att kunna dra slutsatser om den bit som inte syns.

Det är krävande att pussla ihop den nya information som strömmar in från Webb-teleskopet. Samtidigt var många forskare ivriga och ville publicera resultat så fort de första bilderna från teleskopet började komma in. Jens Melinder tyckte att många hade lite väl bråttom i början.

– När längre tid går blir artiklarna av bättre kvalitet, säger han och förklarar att då kan forskarna beskriva vilka problem som finns och hur de tagit hand om dem, vilket saknas i de tidiga artiklarna.

Många av de publikationer som har kommit hittills är också rent redovisande, där forskare presenterar något fenomen eller objekt som de har sett. Förklaringar och resonemang dröjer längre. I astronomin är det vanligt att det går några år från att data kommer in till att de publiceras, enligt Göran Östlin. Det är först då det går att ha utvecklade resonemang och förklaringar.

– Det tar tid, och det behövs också teoretiskt arbete med simuleringar och så vidare för att förklara vissa saker, säger Göran Östlin.

Det är heller inte så enkelt som att titta på bilderna och genast förstå allt de visar. Varje nytt instrument har sina egenheter, som forskarna måste förstå och handskas med innan de kan hantera och tolka sina bilder och mätningar. En del av de instrument som sitter på James Webb-teleskopet är av typer som inte testats i rymden tidigare.

– Det har krävts ganska mycket trixande innan bilderna blev snygga, säger Göran Östlin.

Innan bilderna från James Webb-teleskopet publiceras i till exempel Forskning & Framsteg har de gått genom en hel del bearbetning för att ta bort oönskade variationer.

Alla störningar, allt som inte är en signal från det som forskarna vill observera, kallas för ”bakgrund” – oavsett om störningskällan ligger i förgrunden. Det gäller att lära känna sitt instrument och begripa sin bakgrund för att inte luras av artefakter som inte har att göra med det man vill studera. En typ av brus kommer från stjärnor utanför det område som teleskopet observerar, men vars ljus ändå kommer in i optiken från sidan. En annan störningskälla är strålning från solen som sprids mot stoft i solsystemet.

Det finns också kosmisk strålning, energirika partiklar som kolliderar med instrumenten och skapar fläckar i bilderna. Göran Östlin tar upp en serie otvättade, ”råa” bilder för att visa detta.

– Här kan du se kosmisk strålning som kommer och går. De som ligger stilla är alltså de riktiga källorna som vi vill se.

För att hantera den kosmiska strålningen tar forskarna en serie kortare exponeringar, och lägger ihop dem. Stjärnor och galaxer har i princip konstant ljusstyrka i varje bild, medan störningarna, bruset, som varierar hela tiden, blir förhållandevis svagt. Ju längre total exponeringstid, desto bättre och skarpare blir bilden.

Arbetet lönar sig, och de rensade bilderna ger en skarpare blick på universum i infraröda våglängder än någonsin tidigare. Det är stor skillnad jämfört med vad forskarna vant sig vid från till exempel rymdteleskopet Hubble.

– Man är van vid att en galax på ett visst avstånd mest ser ut som en liten blobb. Men när man tittar på den med James Webb, då ser man att det är en galax. Det tyckte jag var enormt att se – det var väldigt häftigt, säger Jens Melinder.

Forskarna kan lära sig mycket av bilder, men ännu mer kraftfullt blir det när de kombineras med noggranna mätningar av ljuset. James Webb-teleskopet har möjlighet att dela upp det infraröda ljuset från avlägsna objekt i olika våglängder. Det funkar precis som när ett prisma bryter synligt ljus och breder ut regnbågens färger. Uppdelning i ett spektrum av olika våglängder, spektroskopi, är ett kraftfullt verktyg. Det finns mer ljus i vissa våglängder och mindre i andra, och mönstret av ljus och mörker kan berätta om hur ljuset blev till och vad som har hänt med det på vägen hit.

Avstånd i universum är svåra att föreställa sig. Extra invecklat blir det för att tid och rum hänger ihop. Ju längre bort vi ser, desto längre tillbaka i tiden tittar vi, eftersom det ljus vi ser sändes ut för mycket länge sedan. När rymden utvidgas töjs ljuset ut på vägen mot oss. Ju längre våglängder, desto rödare ljus – detta kallas för kosmologisk rödförskjutning. Ljuset från riktigt avlägsna objekt är så rödförskjutet att det inte längre syns i våglängder som är synliga för det mänskliga ögat, och James Webb-teleskopet är konstruerat för att se i infrarött, bland annat för att kunna se dessa avlägsna röda objekt.

Det är därför lite förvirrande att tala om univer­sums äldsta galaxer. De är på ett sätt mycket gamla, eftersom ljuset från dem kommer från universums ungdom. På ett annat sätt är de mycket unga – det som syns i teleskopet är ganska nyfödda galaxer som bara haft någon enstaka generation av stjärnor.

I jakten på dessa första och mest avlägsna galaxer tar forskare hjälp av en sorts naturliga teleskop­linser i rymden: gravitationslinser som uppstår när ansamlingar av massa kröker rum­tiden. De förstärker ljuset från galaxer som ligger ännu mycket längre bort, och ofta förvränger de också formen på galaxerna.

Astronomen Angela Adamo vid Stockholms universitet letar efter sådana galaxer som syns genom gravitationslinser. Hon visar en bild:

– Den här bågen är en galax, som ser utsträckt ut. Den är mycket ljussvag.

Tillsammans med sina kollegor har hon sett en galax från när universum var bara 400 miljoner år gammalt.

När universum expanderade och svalnade från det heta och hoptryckta urtillstånd som ofta kallas big bang bildades enkla atom­kärnor med en eller två protoner: väte och helium. Det blev bara ytterst små mängder av tyngre grundämnen. I princip allt annat som finns har bildats i fusion inuti stjärnor eller i våldsamma processer, som när stjärnor exploderar som supernovor eller när neutronstjärnor kolliderar med varandra. Genom att generation efter generation av stjärnor har brunnit ut har tyngre grundämnen långsamt anrikats.

För astronomer är det ofta intressant att tala om hur mycket av ”andra ämnen” som finns, och de bryr sig då inte om att skilja mellan dem, utan kallar allt som inte är väte och helium för metaller.

– De här galaxerna är bland de mest metallfattiga objekt som upptäckts i universum. Det är sensationellt att vi kan se dem! Det här är de galaxer där de första stjärnorna bildades, säger Angela Adamo.

När idéerna om att bygga Webb-teleskopet började diskuteras var den första motivationen just att kunna hitta de första galaxerna och att kunna se hur fort stjärnor började bildas. Målen breddades senare eftersom det blev uppenbart att ett sådant teleskop kan göra andra saker mycket bra.

Angela Adamo tittar till exempel också på mycket mer närbelägna galaxer några tiotals miljoner ljusår bort. Webb-teleskopets fina upplösning gör det möjligt att urskilja detaljer som inte har gått att se tidigare. I det infraröda ljuset avslöjas nyfödda stjärnor som i optiska våglängder döljs bakom stoft.

– Vi har intressanta resultat, där vi nu kan se tidsskalorna för hur stjärnorna förstör stoftet, säger Angela Adamo.

Stjärnor bildas i områden med tät och kall gas. Där kan också en del av gasen kondenseras till stoftkorn. När stjärnorna tänts hettar de upp och förångar stoftet, och då bildas genomskinliga områden där ljuset kan nå ut. Samtidigt bromsas stjärnbildningen. De stjärnor som redan finns värmer alltså omgivningen och gör det svårare för gas att svalna och falla ihop till nya stjärnor. Det är just den här processen för hur galaxers liv påverkas av nybildade stjärnor som Angela Adamo studerar.

På ännu närmare håll, i vår egen galax, är Webb-teleskopet ett verktyg för att studera planeter. Astronomen Alexis Brandeker vid Stockholms universitet studerar planeten 55 Cancri e, en så kallad superjord: en stenig planet som är större än jorden men mindre än Neptunus. De första observationerna tydde på att planeten kanske hade en ovanlig rotation.

– Så vi skulle se först den ena sidan, och sen nästa varv skulle vi se den andra sidan, och så ett varv efter skulle vi se den första sidan igen, säger Alexis Brandeker.

Planeten är mycket nära sin stjärna, och är kanske en lavaplanet där marken delvis förångas. Eller så har den kanske stora vulkaner på ena sidan. För att lära sig mer om den ville Alexis Brandeker få fyra observationer av planeten medan den rundar stjärnan.

– Omloppstiden är bara sjutton timmar, så det går snabbt.

Den infraröda strålningen från den heta planeten är stark, så när planeten försvinner bakom stjärnan minskar den totala strålningen. Genom att titta på skillnaden mellan de olika passagerna skulle det gå att bekräfta hur den snurrar kring sin axel och förhoppningsvis också förstå mer om hur planetens yta utvecklar sig. De har också spektrum av ljuset, som de hoppas ska säga något om planetens atmosfär.

Mätningarna gick inte exakt som planerat. Alexis Brandeker och hans grupp fick tre mätserier från planeten under en vecka i november 2022, men den fjärde fick ställas in. I stället fick de en observation långt senare, under våren, som inte så lätt kan läggas ihop med de tre första. Nu arbetar de med analysen. Trots att de inte mer än börjat har de redan upptäckt att det inte ser ut som de förväntar sig.

– Det är ofta så. När man har en idé om att göra någonting så visar sig verkligheten vara annorlunda. Och det kräver mer analys. Det är så intressant att konfrontera verkligheten, säger Alexis Brandeker.

Det verkar som om systemet är lite mer komplicerat än de hade antagit. De ser brus i sitt spektrum, och hypotesen de jobbar med är att det kan finnas stoft i systemet som påverkar ljuset men som inte har med planeten att göra. För att få rätsida på detta måste de göra en riktigt noggrann analys.

Att verkligheten ofta är mer komplicerad än väntat är normalt. Över lag är Alexis Brandeker nöjd med hur teleskopet fungerar. Inte minst pekar han på hur stabilt det går att rikta teleskopet.

– Vi tar 16 000 bilder efter varandra, och de pekar på exakt samma ställe på himlen inom en hundradels pixel. Det är helt fantastiskt. Det gör att man kan analysera data och få ut mycket information från det.

Det enda som har gått lite sämre än förväntat är att teleskopet efter några månader krockade med en mikrometeorit som skadade en av speglarna, som ett litet stenskott i rymden. Efter det lades observationsprogrammet om en aning, så att teleskopet alltid siktar bort från sin egen rörelseriktning.

– När man åker baklänges minskar risken för att en mikrometeorit träffar spegeln. Man får den på strukturen på baksidan som är mer tålig, säger Alexis Brandeker.

Det här sätter nya begränsningar för vid vilka tidpunkter det går att titta mot ett givet objekt. Sådant spelar större roll för den som studerar planeter som rör sig fort, än för forskare som tittar på galaxer som ser likadana ut under lång tid.

Det är extra viktigt att vara rädd om speglarna också för att teleskopet nu verkar kunna få mycket längre livstid än någon från början vågade hoppas.

– Uppskjutningen var så pass lyckad att teleskopet kom in i en bana som gör att själva bränslet förmodligen räcker i tjugo år. Alltså mycket längre än man trodde tidigare, säger Alexis Brandeker.

Teleskopet är nämligen placerat i en punkt i rymden där gravitationen från jorden och solen balanseras, så att det ganska enkelt går att hålla kvar teleskopet i ett konstant läge som följer med jorden i dess bana. Det behövs ändå små justeringar då och då, och när bränslet tar slut kommer teleskopet inte att vara stabilt längre.

Det verkar i alla fall som om vi kan se fram emot många år av fortsatta rön från James Webb-teleskopet. Ju längre forskarna arbetar med sina analyser, desto bättre kommer de att förstå vad de ser. Vi kommer att få veta många nya saker om hur galaxerna har bildats och utvecklats, och om egendomliga planeter som är helt olika dem som vi har i vårt solsystem.