Das James-Webb-Weltraumteleskop ist wie eine kosmische Zeitmaschine. hier ist der Grund

Es war eine aufregende Woche mit der Veröffentlichung atemberaubender Fotos unseres Universums vom James Webb Space Telescope (JWST).

Bilder wie das folgende ermöglichen es uns, schwache, ferne Galaxien zu sehen, wie sie vor über 13 Milliarden Jahren aussahen.

Es ist der perfekte Zeitpunkt, um einen Schritt zurückzutreten und unser erstklassiges Ticket in die Tiefen des Universums zu schätzen und zu schätzen, wie diese Bilder es uns ermöglichen, in die Vergangenheit zu blicken.

(NASA, ESA, CSA und STScI)

Oben: Die Tiefenfeldaufnahme SMACS 0723 wurde mit einer Belichtungszeit von nur 12,5 Stunden aufgenommen. Die schwachen Galaxien in diesem Bild strahlten dieses Licht vor mehr als 13 Milliarden Jahren aus.

Diese Bilder werfen auch interessante Punkte darüber auf, wie die Expansion des Universums dazu beiträgt, wie wir Entfernungen auf kosmologischer Ebene berechnen.

Moderne Zeitreise

Ein Blick in die Vergangenheit mag wie ein seltsames Konzept erscheinen, aber es ist das, was Weltraumforscher jeden Tag tun.

Unser Universum ist an die Regeln der Physik gebunden, eine der bekanntesten „Regeln“ ist die Lichtgeschwindigkeit. Und wenn wir von „Licht“ sprechen, beziehen wir uns wirklich auf alle Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, die reisen bei etwa 300.000 Kilometern (etwa 186.400 Meilen) pro Sekunde.

Licht breitet sich so schnell aus, dass es in unserem Alltag scheinbar augenblicklich ist. Selbst bei diesen schwindelerregenden Geschwindigkeiten dauert es noch eine Weile, um irgendwo durch den Kosmos zu reisen.

Wenn du schaust der Mond, sehen Sie es so, wie es vor 1,3 Sekunden war. Es ist nur ein kleiner Rückblick in die Vergangenheit, aber es ist immer noch Vergangenheit. Dasselbe gilt für das Sonnenlicht, außer dass Photonen (Lichtteilchen), die von der Sonnenoberfläche emittiert werden, etwas mehr als 8 Minuten unterwegs sind, bevor sie schließlich die Erde erreichen.

Unsere Galaxie, die Milchstraße, erstreckt sich über mehr als 100.000 Lichtjahre. Und die wunderschönen neugeborenen Sterne, die auf dem Bild des Carina-Nebels von JWST zu sehen sind, sind 7.500 Lichtjahre entfernt.

Mit anderen Worten, dieser abgebildete Nebel stammt etwa 2.000 Jahre vor der Zeit, als man annimmt, dass es die allererste Schrift gegeben hat erfunden im alten Mesopotamien.

Der Carinanebel ist eine Wiege der Sterne. (NASA, ESA, CSA und STScI)

Jedes Mal, wenn wir von der Erde wegschauen, blicken wir zurück in die Zeit, um zu sehen, wie die Dinge einmal waren. Es ist eine Supermacht für Astronomen, weil wir Licht, wie es im Laufe der Zeit beobachtet wurde, nutzen können, um zu versuchen, das Rätsel unseres Universums zu lösen.

Was JWST spektakulär macht

Weltraumteleskope ermöglichen es uns, bestimmte Lichtbereiche zu sehen, die die dichte Erdatmosphäre nicht passieren können. Das Hubble-Weltraumteleskop wurde entwickelt und optimiert, um sowohl den ultravioletten (UV) als auch den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums zu nutzen.

Das JWST wurde entwickelt, um ein breites Spektrum an Infrarotlicht zu verwenden. Und das ist einer der Hauptgründe, warum das JWST weiter in die Vergangenheit blicken kann als Hubble.

(NASA, J. Olmsted, STScI)

Oben: Das elektromagnetische Spektrum mit den Hubble- und JWST-Bereichen. Hubble ist optimiert, um kürzere Wellenlängen zu sehen. Diese beiden Teleskope ergänzen sich gegenseitig und geben uns ein vollständigeres Bild des Universums.

Galaxien senden eine Reihe von Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum aus, von Gammastrahlen bis zu Radiowellen und allem dazwischen. All dies gibt uns wichtige Informationen über die unterschiedliche Physik, die in einer Galaxie vorkommt.

Wenn Galaxien in unserer Nähe sind, hat sich ihr Licht seit ihrer Emission nicht wesentlich verändert, und wir können einen riesigen Bereich dieser Wellenlängen untersuchen, um zu verstehen, was im Inneren vor sich geht.

Aber wenn die Galaxien extrem weit entfernt sind, haben wir diesen Luxus nicht mehr. Das Licht der äußersten Galaxien, wie wir es jetzt sehen, wurde aufgrund der Expansion des Universums zu längeren und röteren Wellenlängen gestreckt.

Das bedeutet, dass ein Teil des Lichts, das bei seiner ersten Emission für unsere Augen sichtbar gewesen wäre, seitdem Energie verloren hat, als sich das Universum ausdehnt. Es liegt jetzt in einem völlig anderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dies ist ein Phänomen namens Kosmologische Rotverschiebung.

Und hier glänzt das JWST wirklich. Der große Bereich von Infrarot-Wellenlängen, der von JWST erkannt werden kann, ermöglicht es ihm, Galaxien zu sehen, die Hubble noch nie sehen konnte. Kombinieren Sie diese Fähigkeit mit dem riesigen Spiegel und der hervorragenden Pixelauflösung des JWST, und Sie haben die leistungsstärkste Zeitmaschine im bekannten Universum.

Das Alter des Lichts ist nicht gleich der Entfernung

Mit dem JWST werden wir in der Lage sein, extrem weit entfernte Galaxien zu erfassen, wie sie nur 100 Millionen Jahre nach der Urknall – was vor etwa 13,8 Milliarden Jahren geschah. So werden wir das Licht von vor 13,7 Milliarden Jahren sehen können.

Was Ihr Gehirn jedoch verletzen wird, ist, dass diese Galaxien keine 13,7 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Die tatsächliche Entfernung zu diesen Galaxien würde heute etwa 46 Milliarden Lichtjahre betragen.

Diese Diskrepanz ist ausschließlich auf die Expansion des Universums zurückzuführen und macht es schwierig, in einem sehr großen Maßstab zu arbeiten.

Das Universum dehnt sich aus wegen etwas namens dunkle Energie. Es wird angenommen, dass es eine universelle Konstante ist, die in allen Bereichen der Raumzeit (dem Gefüge unseres Universums) gleich wirkt.

Und je mehr sich das Universum ausdehnt, desto größer ist der Effekt dunkle Energie a auf seiner Expansion. Das ist der Grund, warum das Universum, obwohl es 13,8 Milliarden Jahre alt ist, tatsächlich einen Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren hat.

Wir können die Wirkung der Dunklen Energie nicht im galaktischen Maßstab (in der Milchstraße) sehen, aber wir können sie über viel größere kosmologische Entfernungen sehen.

Lehnen Sie sich zurück und genießen Sie

Wir leben in einem bemerkenswerten Zeitalter der Technologie. Noch vor 100 Jahren wussten wir nicht, dass es Galaxien außerhalb unserer eigenen gibt. Jetzt schätzen wir, dass es Billionen von ihnen gibt, und wir haben die Qual der Wahl.

Und auf absehbare Zeit wird uns das JWST jede Woche auf eine Reise durch Raum und Zeit mitnehmen.

Sara WebbPostdoktorand, Center for Astrophysics and Intensive Computing, Technische Universität Swinburne.

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