Giganter tävlar om titeln som framtidens ledande teleskop

Dessa fyra kandidater till framtidens superteleskop, som just nu kämpar om att gå från idéstadium till verklighet, kan var och en för sig lösa flera av astronomins gåtor.

Om samtliga dessa teleskop hade sänts upp hade de kunnat avslöja hur de första svarta hålen uppstod, förklara varifrån planeters vatten kommer och peka ut Vintergatans bästa kandidater till planeter med liv.

Men endast ett av teleskopen kommer att förverkligas och sändas ut i rymden.

Svarta hålens gåta under luppen

Dröm gärna stort men dröm realistiskt. Så löd uppdragsbeskrivningen för fyra grupper med hundratals forskare som i juni, efter fyra års arbete, presenterade sina förslag till nästa stora rymdteleskop som ska sändas upp på 2030-talet.

Det man vill undvika är att det nya flaggskeppet slutar som James Webb, som prissattes till en miljard dollar och som skulle sändas upp år 2018. I stället tycks priset landa på drygt 8,8 miljarder dollar, och uppsändningen blir minst tre år försenad för att teknikerna kämpar med lösa skruvar och revor i solseglet.

De fyra nya förslagen är mer genomarbetade, vilket minimerar risken för att man ska spränga budgeten och tidsramen.

Det har dock inte hindrat forskarna från att ta ut svängarna ordentligt. Röntgenteleskopet Lynx ska förses med en spegel med en diameter på tre meter, som enligt ingenjörerna kommer att bli hundra gånger känsligare än ESA:s planerade röntgenteleskop Athena, som ska sändas upp år 2028.

Lynx ska bland annat spola tillbaka tiden till universums barndom och klargöra hur de första supertunga svarta hålen i urtidens galaxer på betydligt kortare tid fick sin enorma massa än vad som kan förklaras med de kosmologiska teorierna.

Enligt den klassiska teorin var ursprunget till de första supertunga svarta hålen universums första jättestjärnor, som exploderade som supernovor och efterlämnade svarta hål på cirka hundra solmassor. Hålen attraherade varandra och började växa genom att suga i sig stora mängder gas från sina galaktiska omgivningar.

Problemet med denna teori är att astronomerna har upptäckt att det redan 700 miljoner år efter stora smällen fanns supertunga svarta hål med 800 miljoner solmassor. Inte ens en konstant matning med gaser och jättestjärnor kan förklara hur de första supertunga svarta hålen kunde bli så enormt stora så snabbt.

Mot den bakgrunden förutsäger en ny teori att de svarta hålen bildades av betydligt större himlakroppar på uppemot en miljon solmassor, som uppstod när stora gasmoln kollapsade till svarta hål.

Lynx avancerade spegel ska bland annat pröva den nya teorin genom att observera den röntgenstrålning som extremt varma gasmoln avger medan de virvlar runt supertunga svarta hål.

Det bildas kolossala jetströmmar av laddade partiklar när supertunga svarta hål slukar gaser i sin omgivning. Jetströmmarna spyr ut miljontals grader varm gas i den intergalaktiska rymden där de tunna gaserna är i princip osynliga för vår tids teleskop.

Astronomerna tror att dessa gasmoln innehåller närmare 40 procent av universums atomära massa. Observationer med Lynx kommer att visa omfattningen av strålningen från gasmolnen och därmed om teorin håller.

Jättespegel zoomar in på planet

Lynx tillgodoser ett specifikt behov och täcker ett visst våglängdsområde, medan Luvoir – det största av de fyra rymdteleskop­en som ligger på ritbordet – i likhet med föregångaren Hubble tjänar flera syften. Den största skillnaden är att Luvoirs primärspegel ska ha en diameter på 15 meter, jämfört med Hubbles 2,4 meter.

Den enorma spegeln kommer att fånga betydligt mer ljus i de våglängdsområden där universum lyser allra starkast: Ultraviolett, synligt och infrarött ljus.Det gör att Luvoir kan fotografera individuella stjärnor i avlägsna galaxer, vilket är något helt nytt.

Teleskopet ska för första gången någonsin ta direkta bilder av jordliknande stenplaneter som kretsar runt stjärnor som solen.

Hittills har teleskop bara fotograferat 46 exoplaneter direkt, och då supergasjättar med upp emot elva gånger Jupiters massa som ligger i omloppsbana mycket långt från sin stjärna.

Att ta bilder av en liten stenplanet nära en starkt lysande stjärna som solen är betydligt svårare. Reflexionen från planeten är nämligen tio miljarder gånger svagare än ljuset från stjärnan. Ett av Luvoirs instrument löser det problemet med en skiva i teleskopet, en koronagraf, som skärmar av stjärnans ljus.

Då kan teleskopet observera de svaga reflexionerna från stenplaneter och fotografera jordens tvillingar.

Observationer som gjorts med rymdteleskopet Kepler har fått astronomerna att tro att stenplaneter stora som jorden kretsar i den beboeliga zonen, där flytande vatten kan förekomma, runt en av fyra av Vintergatans solliknande stjärnor.

Just vatten är det kanske viktigaste spåret i teleskopens jakt på ett svar på frågan om det finns liv i andra delar av universum.

Atmosfären visar tecken på liv

Luvoir pekar inte bara ut jordliknande planeter, utan visar även spektrum av atmosfären. När ljus från den närmaste stjärnan reflekteras i planetens yta och passerar genom dess atmosfär absorberar olika molekyler olika våglängder i ljuset.

Spektrumen visar inte bara vilka molekyler som finns i atmosfären, utan koncentrationen av dem. Om man observerar så mycket syre att det inte kan förklaras med livlös kemi har teleskopet hittat ett tecken på en planet med fotosyntetiserande växter eller bakterier.

Ett annat avslöjande tecken är metan, som produceras av bakterier och idisslande djur som får och nötkreatur. Om flera indikatorer förekommer i en atmosfär kan Luvoir ha hittat en planet med liv.

Luvoirs konkurrent inom samma våglängdsområde heter Habitable Exoplanet Imaging Mission (Habex).

Detta teleskop kommer med sin spegel på fyra meter i diameter hitta betydligt färre jordliknande planeter än Luvoir.

I gengäld kommer bilderna som det tar av jordliknande planeter kring närbelägna stjärnor i galaxen hålla hög kvalitet, eftersom teleskopet ska flyga i formation med en stjärnskugga, som skärmar av stjärnans ljus bättre än en koronagraf.

Stjärnskuggan består av en blomliknande skiva med en diameter på 72 meter som placeras i siktlinjen mellan Habex och en solliknande stjärna med ett planetsystem, som månen vid en total solförmörkelse.

Först ska dock teleskopet undersöka 111 stjärnor för att peka ut planeter i den beboe­liga zonen. Sedan placeras stjärnskuggan framför Habex med hjälp av en raketmotor.

Enligt forskarnas bedömning har stjärnskuggan tillräckligt med bränsle för att flyttas runt och granska nio stjärnsystem, fotografera planeterna och registrera detaljerade spektrum av atmosfärerna i sin jakt på en jorden 2.0.

Specialister ska lösa universums stora gåtor

Liksom föregångaren Hubble kommer det stora rymdteleskopet Luvoir att kunna utföra en mängd olika uppgifter, medan konkurrenterna Lynx, Habex och Origins är specialister på var sitt område.

Observationer med de tre teleskopen kan visa hur supertunga svarta hål föds, var vi kan hitta spår av liv i vårt galaktiska närområde och hur ljuset från universums första stjärnor såg ut.

Iskallt teleskop söker vattnets väg

För att hitta liv i rymden gäller det först att lokalisera planeter med flytande vatten. När stenplaneter som jorden bildades hade de troligen bara lite eller inget vatten alls. Hur de sedan täcktes av oceaner förblir en obesvarad fråga.

Förklaringen till det ska Origins Space Telescope hitta genom att följa vattnets väg från intergalaktiska moln med temperaturer på minus 263 grader, som kollapsar till solliknande stjärnor, och vidare genom den skiva av damm och gas runt stjärnorna som föder planeter, ända till de unga stenplaneter som kretsar runt stjärnan i planetsystemens mitt.

Med sin primärspegel på 9,1 meter ska Origins Space Telescope observera ljusets infraröda spektrum i det yttersta, långvågiga infraröda området. På så sätt kan rymdteleskopet fånga strålning från extremt kalla fenomen med temperaturer ända ner till minus 268 grader.

Teleskopets namn, ”Ursprung”, ska tolkas bokstavligt. Origins kommer att kunna se ända tillbaka till den kosmiska gryningen då de första stjärnorna bildades, bara några hundra miljoner år efter stora smällen.

Enligt teorin var de förstfödda jättestjärnor med hundratals solmassor och 100 000 grader varm yta. De avgav stora mängder synligt ljus och ultraviolett strålning innan de exploderade som supernovor.

I dag har ljus från dessa jättar till följd av universums utvidgning sträckts ut till kall, långvågig infraröd strålning. Origins kommer att bli det första teleskopet någonsin som kan observera ljuset från dem.

Budgetkrav avgör upptäckter

Endast ett av de fyra teleskopen kommer att förverkligas, men redan nu är alla utformningar mer detaljerade och genomarbetade än när James Webb-teleskopet valdes ut som flaggskepp år 2001 och när WFIRST valdes ut tio år senare.

Båda projekten har överskridit sin budget. James Webb blir nästan nio gånger dyrare än planerat och WFIRST kommer att behöva ett tilläggsanslag på minst 400 miljoner dollar utöver sina budgeterade 3,2 miljarder dollar innan teleskopet ens har lämnat ritbordet.

WFIRST är klart tidigast år 2025, då det bland annat ska rikta in sig på den mystiska mörka energi som får universums utvidgning att accelerera.

De nya teleskopen utsätts för en hård kontroll i vilken forskargrupperna använder en databas över olika instruments verkliga kostnad på 150 av Nasas rymdexpeditioner.

De fyra kandidaterna till 2030-talets astronomiska flaggskepp presenteras i två versioner: Ett lyxutförande för max åtta miljarder dollar och en budgetmodell för mellan tre och fem miljarder dollar, i de flesta fall med mindre primärspegel. Luvoirs stora version har en spegel på 15 meter i diameter medan budgetmodellens spegel är åtta meter.

Vinnaren avgör om vi på 2040-talet får lära oss mer om universums barndom eller upptäcker främmande liv på andra planeter.