Jakter på universets opprinnelse og liv på andre planeter

En av konstruktørene bak den amerikanske romfartsorganisasjonen Nasas James Webb-teleskop er i Norge. Senior prosjektforsker Jonathan P. Gardner holdt foredrag i Det Norske Videnskaps-Akademi under årets utdeling av Birkelandprisen tirsdag. Allerede i 1906 bygget Birkeland det såkalte Terrella-instrumentet, hvor han simulerte nordlys, ringene rundt Saturn og komethaler.

Teknisk Ukeblad fikk en prat med romteleskopeksperten om hva teleskopet har observert siden det ble skrudd på i juli i fjor, da det var på plass 1,51 millioner kilometer fra jorden i det såkalte Lagrange-punkt 2, hvor det er i gravitasjonsbalanse mellom solen og jorden.

Arbeidet med Hubbles etterfølger ble startet av Nasa allerede i 1995, fem år etter at teleskopet var skutt opp i en lav jordbane. Da så de på hva som måtte til om de virkelig skulle revolusjonere vitenskapen. Resultatet av det er blitt til James Webb-teleskopet.

Den store forskjellen

Men hva er den store forskjellen mellom forgjengeren Hubble og James Webb, og hva kan det nye gi oss av kunnskap som ikke Hubble-teleskopet kan tilby?

– Det er et par ting som gjør at forskjellen mellom dem er stor, og som vi definerte allerede den gangen, sier Gardner.

– For det første har James Webb et mye større speil. Det er på 6,5 meter, mens Hubbles er på 2,4 meter. Det betyr at det fanger mye mer lys. Det har også vesentlig mer avanserte sensorer som utvider det observerbare frekvensspekteret. Hubble-teleskopet har sensorer som ser i det optiske området, det vil si det menneskeøyet kan se. Med James Webb ser vi helt opp i det infrarøde spekteret med en bølgelengde på 2800 nanometer. Disse bølgelengdene krever at teleskopet holder en temperatur på under 150 grader Kelvin, men det er ikke noe problem der det er plassert. Der holder det 55 grader Kelvin, sier Gardner.

Det betyr at de kommer seg fri fra de begrensingene Hubble har. Det kan se rundt én milliard år bakover i tid. Det er selvfølgelig ikke verst, men det avslører ikke noe om hvordan universet ble skapt. Med James Webb kan de se 13,5 milliarder år tilbake i tid – eller mer. Nok til å observere det tidlige universet.

To arbeidsområder

Det å se så ekstremt langt bakover i tid for å forstå universets utvikling, er en veldig viktig oppgave for James Webb. Men teleskopet har også fått i oppgave å lete i «nærområdet» vårt, hvis det er lov å bruke en slik betegnelse, når det ser på eksoplaneter i Melkeveien som ligger «bare» noen titalls lysår unna. Eksoplaneter er planeter som går i bane rundt andre stjerner enn solen.

– Det er naturlig nok veldig stor interesse for å finne planeter som likner på jorden. Og planeter finner vi mange av. I det infrarøde spekteret kan vi se etter organisk kjemi og karbonrike molekyler i nærområdet innen vår galakse. Slike forhold kan jo være indikasjoner på liv, men vi ser ennå ikke etter biomarkører. Måten vi vil bruke teleskopet på i årene framover, kan avdekke om forholdene ligger til rette for liv. Men vi trenger nye teleskoper for å kunne finne indikasjoner på liv, sier han.

To romteleskoper til

Det er et par trinn på veien dit, og det neste er allerede kommet langt. Nancy Grace Roman Space Telescope skal skytes opp i 2027. Det vil ha en 300 megapiksel sensor som kan det ta ett bilde der Hubble måtte ta 100 for å dekke samme område. Det er på størrelse med Hubble, men vil ha et instrument som kan blokkere lys fra en stjerne slik at det kan analysere planetene rundt mye bedre.

– I 2040 ser vi for oss det som kalles The Habitable Worlds Observatory. Det vil for alvor kunne observere og ta bilder av jordliknende eksoplaneter og karakterisere atmosfæren deres. Da vil vi kunne se på balansen mellom metan og ozon, som kan gi oss kunnskap om det kan være liv, eller forhold for liv, på planeten. Den klareste indikasjonen på liv, slik som vi kjenner det, vil være refleksjonen fra planters klorofyll i ulike spektre, sier Gardner.

Basert på jordisk liv

Han innrømmer at det de vil lete etter, er livet slik vi kjenner det fra jorda, hvor fotosyntesen er helt sentral. De vil også se etter andre indikasjoner på liv, men så langt aner ingen hvordan helt andre livsformer basert på ukjente prosesser arter seg. Da vil det bli vanskelig å lete. De vet ikke en gang om det er en nål de skal lete etter i høystakken.

– Vi vil konsentrere oss om planeter i det vi omtaler som den beboelige sonen. Det er en betegnelse på steinplaneter i riktig avstand fra stjernen og med forhold som gjør at flytende vann kan eksistere. Lik de betingelsene for liv som har utviklet seg på jorda. Det er viktig for oss å studere den variasjonen av planeter som finnes rundt andre stjerner. Vi har jo et veldig begrenset antall av dem rundt vår egen stjerne, sier Gardner.

Det de leter etter, er planter som de kaller super-jorden, som er lik jorden, men mye større og helt opp til det Gardner betegner som Sub-Neptun-planeter.

– Vi må forstå utbredelsen av steinplaneter og hva som karakteriserer dem, sier han.

Det kommer ikke til å mangle på muligheter selv om det neppe lar seg gjøre noen gang å lete lenger unna enn noen titalls lysår. Og det er helt utenkelig med det man kan kjenner til av teknologiske muligheter i dag å studere planeter i andre galakser. Selv innen vår egen er det aller meste altfor langt unna.

Vannet

– Vann er en viktig faktor for liv, og når planeter dannes i den beboelige sonen, tror vi ikke vann oppstår nær stjernen. I vårt solsystem er nok vannet dannet i området rundt det såkalte Kuiperbeltet, som er fra Pluto og utover. Så har det blitt transportert innover i solsystemet av kometer. Slik er det nok i andre stjernesystemer også. Vi kan se dette i Orion-tåken, som er et sted hvor det kommer til å danne seg stjerner og planeter, sier Gardner.

Starten

Går vi tilbake til universets opprinnelse, jobber forskerne med et viktig prosjekt for å se på den kjemiske sammensetningen i den tidlige fasen.

– Vi tror det fra starten ikke eksisterte annet enn de fire første elementene i det periodiske systemet; hydrogen, helium og litt litium og beryllium. De var til stede i den første generasjonen stjerner. De produserte alle de tyngre elementene da de eksploderte og ble til andre generasjons stjerner. Vi leter, men vi har ikke funnet galakser med første generasjons stjerner ennå, sier han.

Ennå er det mennesker som gjør alle bildeanalyser fra det nye romteleskopet, men på sikt vil de øke bruken av kunstig intelligens (KI).

– Dataraten fra James Webb er på rundt 200 gigabyte (GB) i døgnet, og det er håndterlig. Det vil jeg ikke karakterisere som Big Data. Men i de kommende teleskopene kommer dataraten til å være mye større, og da må vi utvikle ny KI-basert teknologi for å kunne sammenlikne bilder over tid og finne alt vi leter etter, sier romforskeren.