Vissa har kallat NASA:s rymdteleskop James Webb för "teleskopet som åt astronomi". Det är det kraftfullaste rymdteleskopet som någonsin byggts och ett komplext stycke mekanisk origami som har tänjt på gränserna för mänsklig ingenjörskonst. Den 18 december 2021, efter år av förseningar och miljarder dollar i kostnadsöverskridanden, teleskopet är planerat att starta i omloppsbana och inleda nästa era av astronomi.

Jag är en astronom med en specialitet i observationskosmologi – jag har studerat avlägsna galaxer i 30 år. Några av de största obesvarade frågorna om universum relaterar till dess första år strax efter Big Bang. När bildades de första stjärnorna och galaxerna? Som kom först, och varför? Jag är otroligt glad över att astronomer snart kan avslöja historien om hur galaxer startade eftersom James Webb byggdes specifikt för att svara på just dessa frågor.

Universums "mörka medeltider".

Utmärkta bevis visar att universum började med en händelse som kallas Big Bang för 13,8 miljarder år sedan, som lämnade det i en ultrahet, ultratät tillstånd. Universum började genast expandera efter Big Bang, kylning när den gjorde det. En sekund efter Big Bang, universum var hundra biljoner miles tvärs över med en medeltemperatur på otroliga 18 miljarder F (10 miljarder C). Runt 400, 000 år efter Big Bang, universum var 10 miljoner ljusår i diameter och temperaturen hade svalnat till 5, 500 F (3, 000 C). Om någon hade varit där för att se den vid det här laget, universum skulle ha glödt matt rött som en gigantisk värmelampa.

Under hela denna tid, rymden fylldes med en slät soppa av högenergipartiklar, strålning, väte och helium. Det fanns ingen struktur. När det expanderande universum blev större och kallare, soppan tunnade ut och allt bleknade till svart. Detta var början på vad astronomer kallar universums mörka medelålder.

Den mörka medeltidens soppa var inte helt enhetlig och på grund av gravitationen, små områden med gas började klumpa ihop sig och bli tätare. Det släta universum blev klumpigt och dessa små klumpar av tätare gas var frön för den slutliga bildandet av stjärnor, galaxer och allt annat i universum.

Även om det inte fanns något att se, den mörka medeltiden var en viktig fas i universums utveckling.

Letar efter det första ljuset

Den mörka medeltiden slutade när gravitationen bildade de första stjärnorna och galaxerna som så småningom började avge det första ljuset. Även om astronomer inte vet när det första ljuset inträffade, den bästa gissningen är att det var flera hundra miljoner år efter Big Bang. Astronomer vet inte heller om stjärnor eller galaxer bildades först.

Aktuella teorier baserade på hur gravitationen bildar struktur i ett universum som domineras av mörk materia tyder på att små objekt – som stjärnor och stjärnhopar – troligen bildades först och sedan växte till dvärggalaxer och sedan större galaxer som Vintergatan. Dessa första stjärnor i universum var extrema objekt jämfört med dagens stjärnor. De var en miljon gånger ljusare men de levde väldigt korta liv. De brann varmt och ljust och när de dog, de lämnade efter sig svarta hål upp till hundra gånger solens massa, som kan ha fungerat som frön för galaxbildning.

Astronomer skulle älska att studera denna fascinerande och viktiga era av universum, men att upptäcka första ljuset är otroligt utmanande. Jämfört med massiva, dagens ljusa galaxer, de första objekten var mycket små och på grund av universums ständiga expansion, de är nu tiotals miljarder ljusår bort från jorden. Också, de tidigaste stjärnorna var omgivna av gas som blev över från deras bildande och denna gas fungerade som dimma som absorberade det mesta av ljuset. Det tog flera hundra miljoner år för strålning att spränga bort dimman. Detta tidiga ljus är mycket svagt när det kommer till jorden.

Men detta är inte den enda utmaningen.

När universum expanderar, den sträcker kontinuerligt våglängden av ljus som färdas genom den. Detta kallas rödförskjutning eftersom det skiftar ljus med kortare våglängder – som blått eller vitt ljus – till längre våglängder som rött eller infrarött ljus. Även om det inte är en perfekt analogi, det liknar hur när en bil kör förbi dig, tonhöjden för alla ljud som den gör sjunker märkbart.

När ljus som sänds ut av en tidig stjärna eller galax för 13 miljarder år sedan når något teleskop på jorden, den har sträckts ut med en faktor 10 av universums expansion. Det kommer som infrarött ljus, vilket betyder att den har en längre våglängd än rött ljus. För att se det första ljuset, du måste leta efter infrarött ljus.

Teleskop som en tidsmaskin

Gå in i rymdteleskopet James Webb.

Teleskop är som tidsmaskiner. Om ett objekt är 10, 000 ljusår bort, det betyder att ljuset tar 10, 000 år att nå jorden. Så ju längre ut i rymden astronomer tittar, ju längre tillbaka i tiden vi letar.

Ingenjörer optimerade James Webb för att specifikt detektera det svaga infraröda ljuset från de tidigaste stjärnorna eller galaxerna. Jämfört med rymdteleskopet Hubble, James Webb har ett 15 gånger bredare synfält på sin kamera, samlar in sex gånger mer ljus och dess sensorer är inställda för att vara mest känsliga för infrarött ljus.

Strategin kommer att vara att stirra djupt på ett fläck av himlen under lång tid, samla in så mycket ljus och information från de mest avlägsna och äldsta galaxerna som möjligt. Med dessa uppgifter, det kan vara möjligt att svara på när och hur den mörka medeltiden slutade, men det finns många andra viktiga upptäckter att göra. Till exempel, Att reda ut den här historien kan också hjälpa till att förklara den mörka materiens natur, den mystiska formen av materia som utgör cirka 80 % av universums massa.

James Webb är det tekniskt svåraste uppdrag NASA någonsin har försökt. Men jag tror att de vetenskapliga frågor som det kan hjälpa att besvara kommer att vara värda varje uns av ansträngning. Jag och andra astronomer väntar med spänning på att uppgifterna ska börja komma tillbaka någon gång 2022.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.