Giganter jagter titlen som fremtidens førende teleskop

De fire vidt forskellige kandidater til fremtidens superteleskop, der lige nu dyster om at overgå fra idéstadie til støbeske, kan hver især løse et utal af astronomiens gåder.

Blev alle teleskoper opsendt, ville de opklare, hvordan de første sorte huller blev dannet, forklare, hvor planeters vand kommer fra, og udpege Mælkevejens bedste bud på planeter med liv.

Men kun ét af teleskoperne bliver nogensinde til virkelighed.

Sorte hullers gåde skal under lup

Drøm stort, men drøm realistisk. Sådan lød opgavebeskrivelsen for fire grupper med hundredvis af forskere, der i juni efter fire års arbejde præsenterede deres kandidater til det næste store rumteleskop, som skal opsendes i 2030’erne.

Realismen indebærer, at det nye flagskib nødig skal ende som James Webb, der var prissat til en milliard dollars og skulle være opsendt i 2018. Nu ser prisen ud til at lande på over 8,8 milliarder dollars, og opsendelsen bliver mindst tre år forsinket, fordi teknikerne stadig kæmper med løse bolte og flænger i solsejlet.

De fire nye forslag er mere gennemarbejdede fra begyndelsen og minimerer derfor risikoen for at sprænge budgettet og tidsrammen.

Realismen har ikke afholdt forskerne fra at drømme meget store drømme. Røntgenteleskopet Lynx skal udstyres med et spejl med en diameter på tre meter, der ifølge designrapporten bliver hundrede gange følsommere end ESA’s planlagte røntgenteleskop, Athena, som skal opsendes i 2028.

Lynx skal fx spole tiden tilbage til universets spæde barndom og opklare, hvordan de første supertunge sorte huller i urtidens galakser fik deres enorme masser langt hurtigere, end kosmologiske teorier kan forklare.

Ifølge den klassiske teori var spirerne til de første supertunge sorte huller universets første kæmpestjerner, der eksploderede som supernovaer og efterlod sorte huller på cirka 100 solmasser. Hullerne tiltrak hinanden og begyndte hurtigt at vokse ved at indsuge store mængder gas fra deres galaktiske omgivelser.

Problemet med teorien er, at astronomerne har opdaget, at der allerede 700 millioner år efter big bang fandtes supertunge sorte huller med 800 millioner solmasser. Selv med konstant tvangsfodring af gas og kæmpestjerner kan teorien ikke forklare, hvordan de første supertunge sorte huller kunne blive så kolossale så hurtigt.

En ny teori forudsiger på den baggrund, at de sorte hullers grundlag var langt større spirer på op til en million solmasser, som opstod, når store gasskyer kollapsede til sorte huller.

Lynx’ avancerede spejl skal blandt andet efterprøve den nye teori ved at observere røntgenstrålingen, som ekstremt varme gasskyer udsender, når de hvirvler om supertunge sorte huller på vej mod intetheden.

Mens aktive, nulevende supertunge sorte huller sluger gasser, buldrer enorme jetstrømme af ladede partikler ud fra deres omegn. Strømmene spyr flere millioner grader varm gas ud af det sorte huls galakse og ud i det intergalaktiske rum, hvor de tynde gasser er nærved usynlige for nutidens teleskoper.

Astronomer mener, at disse gasskyer rummer op til 40 procent af den atomare masse i universet. Observationer med Lynx viser omfanget af strålingen fra gasskyerne og dermed, om teorien holder stik.

Kæmpespejl zoomer ind på planet

Lynx dækker et specifikt behov og bølgelængdeområde, mens det største af de fire foreslåede rumteleskoper, Luvoir, ligesom forgængeren Hubble opfylder mange og vidt forskellige formål. Den afgørende forskel er, at Luvoir får et hovedspejl med en diameter på 15 meter mod Hubbles 2,4 meter.

Det enorme spejl vil indfange langt mere lys i de bølgelængdeområder, hvor universet lyser stærkest: ultraviolet, synligt lys og infrarød. Evnerne sætter som noget helt nyt Luvoir i stand til at fotografere individuelle stjerner i fjerne galakser.

Teleskopet skal tilmed for første gang nogensinde tage direkte billeder af jordlignende stenplaneter, der omkredser stjerner som Solen.

Indtil nu har teleskoper kun fotograferet 46 exoplaneter direkte, og det er supergasgiganter med op til 11 gange Jupiters masse i kredsløb meget langt fra deres stjerne.

At tage billeder af en lille stenplanet tæt på en stærkt lysende stjerne som Solen er langt mere krævende, fordi genskinnet fra planeten er ti milliarder gange svagere end lyset fra stjernen. Et af Luvoirs instrumenter løser problemet med en skive inde i kikkerten, kaldet en koronagraf, som blokerer for stjernens lys.

Derfor vil teleskopet kunne fange det svage genskin fra en stenplanet og fotografere Jordens tvillinger.

Baseret på rumteleskopet Keplers observationer vurderer astronomer, at stenplaneter på størrelse med Jorden kredser om hver fjerde af Mælkevejens sollignende stjerner i den beboelige zone omkring stjernen, hvor flydende vand kan eksistere.

Lige netop vand er det nok vigtigste spor i teleskopernes jagt efter svar på spørgsmålet: Findes der liv andre steder i rummet?

Atmosfæren rummer spor efter liv

Mens Luvoir udpeger jordlignende planeter, optager teleskopet også spektre af klodernes atmosfære. Når lys fra den nærmeste stjerne reflekteres på en planets overflade og passerer ud gennem atmosfæren, absorberer forskellige molekyler forskellige bølgelængder i lyset.

Spektrene afslører ikke blot molekylernes tilstedeværelse i atmosfæren, men også deres koncentration. Hvis der fx observeres så meget ilt, at det ikke kan forklares med livløs kemi, har teleskopet fundet et tegn på en planet med fotosyntetiske planter eller bakterier.

En anden sladrehank er metan, som bakterier og drøvtyggende dyr som får og kvæg producerer. Hvis flere indikatorer viser sig i atmosfærerne, kan Luvoir meget vel have fundet en planet med liv.

Luvoirs konkurrent inden for det samme bølgelængdeområde hedder Habitable Exoplanet Imaging Mission eller blot Habex.

Teleskopet vil med et spejl på fire meter i diameter finde langt færre jordlignende planeter end Luvoir.

Til gengæld vil billederne af jordlignende planeter omkring nære stjerner i galaksen være helt suveræne, fordi teleskopet skal flyve i formation med en stjerneskygge, der blokerer stjernens lys bedre end en koronagraf.

Stjerneskyggen består af en blomsterformet skive med en diameter på 72 meter, der foldes i sigtelinjen mellem Habex og en sollignende stjerne med et planetsystem – ligesom Månen under en total solformørkelse.

Teleskopet skal dog først undersøge 111 stjerner for at udpege planeter i den beboelige zone. Derefter bliver stjerneskyggen flyttet ind foran Habex ved hjælp af en raketmotor.

Forskerne vurderer, at stjerneskyggen har brændstof nok til at flytte rundt og nærstudere ni udvalgte stjernesystemer, gennemfotografere planeterne og optage ekstremt detaljerede spektre af deres atmosfærer i jagten efter Jorden 2.0.

Specialister skal opklare universets store gåder

Det store Luvoir-rumteleskop vil som forgængeren Hubble kunne udføre et væld af opgaver, mens konkurrenterne Lynx, Habex og Origins er specialister på hver sit område.

Observationer med de tre teleskoper kan afsløre, hvordan supertunge sorte huller fødes, hvor vi skal finde spor af liv i vores galaktiske nabolag, og hvordan lyset fra de første stjerner i universet så ud.

Iskoldt teleskop søger vandets vej

Grundlaget for at finde liv i rummet er at finde planeter, der rummer flydende vand. Stenplaneter som Jorden rummede efter deres dannelse sandsynligvis kun lidt eller intet vand, og hvordan de siden blev dækket af oceaner, er et ubesvaret spørgsmål.

Forklaringen skal Origins Space Telescope finde ved at følge vandets rejse fra de iskolde, intergalaktiske skyer med temperaturer på omkring minus 263 grader, som kollapser til sollignende stjerner, og videre gennem den skive af støv og gas omkring stjernerne, der føder planeter, helt ind til de unge stenplaneter, der kredser om stjernen i planetsystemernes centrum.

Origins Space Telescope skal med sit hovedspejl på 9,1 meter observere i lysets infrarøde spektrum helt ud til det yderste såkaldte fjern-infrarøde område. Dermed kan rumteleskopet fange stråling fra ekstremt kolde fænomener med temperaturer på ned til minus 268 grader.

Rumteleskopets navn, “oprindelser”, skal forstås helt bogstaveligt. Origins vil kunne se helt tilbage til det kosmiske morgengry, hvor de første stjerner opstod få hundrede millioner år efter big bang.

De førstefødte var ifølge teorien kæmpestjerner med hundreder af solmasser og 100.000 grader varme overflader, som udsendte masser af synligt lys og ultraviolet stråling, inden de eksploderede som supernovaer.

I dag er lys fra giganterne blevet udstrakt til kold fjern-infrarød stråling som følge af universets udvidelse, og Origins vil som det første teleskop nogensinde kunne se lyset fra dem.

Budgetter afgør opdagelser

Kun ét af de fire teleskoper bliver udvalgt, men allerede nu er alle design mere detaljerede og gennemarbejdede, end da James Webb-rumteleskopet blev udvalgt som flagskib i 2001, og da WFIRST-teleskopet blev valgt ti år senere.

Begge projekter har sprængt budgetterne. James Webb bliver næsten ni gange dyrere end planlagt, og WFIRST får brug for en ekstrabevilling på mindst 400 millioner dollars ud over de budgetterede 3,2 milliarder dollars, før teleskopet har forladt tegnebrættet.

WFIRST står tidligst klar i 2025, hvor det fx skal pejle sig ind på den mystiske mørke energi, der speeder universets udvidelse op.

De nye design er sendt gennem et benhårdt realitetstjek, hvor forskergrupperne har brugt en database over forskellige instrumenters reelle omkostninger på 150 af NASA’s rummissioner.

De fire kandidater til 2030’ernes astronomiske flagskib kommer i to versioner: en luksusudgave til maksimalt otte milliarder dollars og en økonomimodel til tre-fem milliarder dollars, hvor teleskopets hovedspejl typisk er mindre. Luvoirs store udgave har fx et spejl på 15 meter i diameter, mens økonomimodellens spejl strækker sig otte meter.

Vinderen afgør, om vi i 2040’erne forstår universets barndom eller opdager fremmed liv på andre planeter.