Το διαστημικό τηλεσκόπιο Webb θα ξαναγράψει την κοσμική ιστορία. Αν λειτουργεί.

Για να κοιτάξετε πίσω στο χρόνο στη βρεφική ηλικία του σύμπαντος και να δείτε τα πρώτα αστέρια να τρεμοπαίζουν, πρέπει πρώτα να τρίψετε έναν καθρέφτη τόσο μεγάλο όσο ένα σπίτι. Η επιφάνειά του πρέπει να είναι τόσο λεία ώστε, αν ο καθρέφτης ήταν της κλίμακας μιας ηπείρου, δεν θα είχε κανένα λόφο ή κοιλάδα μεγαλύτερο από το ύψος του αστραγάλου. Μόνο ένας τόσο τεράστιος και λείος καθρέφτης μπορεί να συλλέξει και να εστιάσει το αμυδρό φως που προέρχεται από τους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες του ουρανού - φως που έφυγε από την πηγή του εδώ και πολύ καιρό και επομένως δείχνει τους γαλαξίες όπως εμφανίζονταν στο αρχαίο παρελθόν, όταν το σύμπαν ήταν νέο. Οι πιο αμυδροί, πιο μακρινοί γαλαξίες που θα βλέπαμε ακόμη στη διαδικασία της γέννησης, όταν μυστηριώδεις δυνάμεις συνωμότησαν στο σκοτάδι και οι πρώτες σοδειές αστεριών άρχισαν να λάμπουν.

Αλλά για να διαβάσετε αυτό το πρώιμο κεφάλαιο στην ιστορία του σύμπαντος - για να μάθετε τη φύση αυτών των πρώτων, πιθανώς γιγάντων άστρων, να μάθετε για την αόρατη ύλη της οποίας η βαρύτητα τους ώθησε να δημιουργηθούν, και για τους ρόλους του μαγνητισμού και της αναταραχής, και πόσο τεράστιες μαύρες τρύπες μεγάλωσαν και έφτασαν στα κέντρα των γαλαξιών — ένας εξαιρετικός καθρέφτης δεν είναι σχεδόν αρκετός.

Ο λόγος που κανείς δεν έχει δει την εποχή του σχηματισμού των γαλαξιών είναι ότι το αρχαίο αστρικό φως, αφού ταξίδεψε σε εμάς μέσω του διαστελλόμενου ιστού του διαστήματος για τόσα πολλά δισεκατομμύρια χρόνια, έχει τεντωθεί. Το υπεριώδες και ορατό φως που εκτοξεύτηκε από τα πιο μακρινά αστέρια στον ουρανό τεντώθηκε σε περίπου 20 φορές μεγαλύτερα μήκη κύματος κατά τη διάρκεια του ταξιδιού εδώ, μετατρέποντας σε υπέρυθρη ακτινοβολία. Αλλά το υπέρυθρο φως είναι το είδος του φωτός που κινεί τα άτομα που ονομάζουμε θερμότητα, την ίδια θερμότητα που εκπέμπεται από το σώμα μας και την ατμόσφαιρα και το έδαφος κάτω από τα πόδια μας. Αλίμονο, αυτές οι τοπικές πηγές θερμότητας βάλτο στις θλιβερές φλόγες των αρχέγονων άστρων. Για να αντιληφθούν αυτά τα αστέρια, το τηλεσκόπιο με τον μεγάλο τέλειο καθρέφτη του πρέπει να είναι πολύ κρύο. Πρέπει να εκτοξευτεί στο διάστημα.

Το πρόβλημα είναι ότι ένας καθρέφτης μεγέθους σπιτιού είναι πολύ μεγάλος για να χωρέσει σε οποιοδήποτε φέρινγκ πυραύλων. Ο καθρέφτης, λοιπόν, πρέπει να μπορεί να διπλώνει. Ένας καθρέφτης μπορεί να διπλωθεί μόνο εάν είναι τμηματοποιημένος - εάν, αντί για μια ενιαία, αδιάκοπη επιφάνεια, είναι μια κυψελωτός συστοιχία τμημάτων καθρέφτη. Αλλά για να δημιουργηθούν συλλογικά ευκρινείς εικόνες, τα τμήματα του καθρέφτη, αφού ξεδιπλωθούν αυτόνομα στο διάστημα, πρέπει να βρίσκονται σε σχεδόν τέλεια ευθυγράμμιση. Απαιτούνται εντυπωσιακά ακριβείς κινητήρες για να επιτευχθεί καλή εστίαση — κινητήρες που μπορούν να ωθήσουν κάθε τμήμα καθρέφτη με αυξήσεις του μισού του πλάτους ενός ιού μέχρι να είναι όλοι στη θέση τους.

Η ικανότητα να βλέπεις αμυδρά υπέρυθρες πηγές δεν σου δίνει απλώς πρόσβαση στο διαμορφωτικό κεφάλαιο του σύμπαντος - περίπου την περίοδο από 50 εκατομμύρια έως 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη - θα αποκάλυπτε και άλλες, αναμφισβήτητα εξίσου σημαντικές πτυχές του σύμπαντος επίσης , από τις ιδιότητες πλανητών στο μέγεθος της Γης που περιφέρονται γύρω από άλλα αστέρια μέχρι τον πολύ αμφισβητούμενο ρυθμό με τον οποίο διαστέλλεται το διάστημα. Αλλά για να λειτουργήσει το τηλεσκόπιο, απαιτείται ένα ακόμη στοιχείο, πέρα ​​από έναν άψογο καθρέφτη που ξεδιπλώνεται αυτόνομα και εστιάζει αφού πυροβοληθεί στον ουρανό.

Ακόμη και στο διάστημα, η Γη, η σελήνη και ο ήλιος εξακολουθούν να θερμαίνουν το τηλεσκόπιο πάρα πολύ για να αντιληφθεί τη αμυδρή λάμψη των πιο απομακρυσμένων δομών του σύμπαντος. Εκτός αν, δηλαδή, το τηλεσκόπιο κατευθύνεται προς ένα συγκεκριμένο σημείο τέσσερις φορές πιο μακριά από τη Γη από το φεγγάρι που ονομάζεται σημείο Lagrange 2. Εκεί, το φεγγάρι, η Γη και ο ήλιος βρίσκονται όλα στην ίδια κατεύθυνση, αφήνοντας το τηλεσκόπιο να μπλοκάρει και τα τρία σώματα στο μια φορά με την ανέγερση μιας ηλιοπροστασίας μεγέθους γηπέδου τένις. Σκιασμένο με αυτόν τον τρόπο, το τηλεσκόπιο μπορεί τελικά να εισέλθει σε μια βαθιά ψύχρα και επιτέλους να ανιχνεύσει την αδύναμη θερμότητα της κοσμικής αυγής.

Το ηλιακό ασπίδα είναι και η μόνη ελπίδα ενός υπέρυθρου τηλεσκοπίου και η αχίλλειος πτέρνα του.

Για να ξεδιπλωθεί σε αρκετά μεγάλες αναλογίες χωρίς να βαρύνει έναν πύραυλο, το αντηλιακό πρέπει να αποτελείται από λεπτό ύφασμα. (Ολόκληρο το παρατηρητήριο, για εκείνο το θέμα, συμπεριλαμβανομένων των καθρεφτών, των καμερών και άλλων οργάνων του, των πομπών του και των πηγών ισχύος του, πρέπει να έχει μόνο το 2% περίπου της τυπικής μάζας ενός μεγάλου επίγειου τηλεσκοπίου.) Τίποτα σχετικά με την κατασκευή ενός γίγαντα ακόμα Το ελαφρύ διαστημόπλοιο με ανίχνευση υπέρυθρων είναι εύκολο, αλλά η αναπόφευκτη χρήση υφάσματος το καθιστά μια εγγενώς επικίνδυνη υπόθεση. Το ύφασμα είναι, λένε οι μηχανικοί, «μη ντετερμινιστικό», οι κινήσεις του είναι αδύνατο να ελεγχθούν ή να προβλεφθούν τέλεια. Εάν η ασπίδα του ήλιου σκάσει καθώς ξεδιπλώνεται, ολόκληρο το τηλεσκόπιο θα μετατραπεί σε διαστημικά σκουπίδια.

Επί του παρόντος, το τηλεσκόπιο - το οποίο έχει, απίστευτα, κατασκευασμένο - είναι διπλωμένο και έτοιμο να τοποθετηθεί πάνω από έναν πύραυλο Ariane 5. Ο πύραυλος έχει προγραμματιστεί να απογειωθεί από το Kourou, στη Γαλλική Γουιάνα, στις 22 Δεκεμβρίου, περισσότερα από 30 χρόνια μετά το ωφέλιμο φορτίο του, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), οραματίστηκε για πρώτη φορά και σχεδιάστηκε. Το τηλεσκόπιο είναι 14 χρόνια πίσω από το χρονοδιάγραμμα και 20 φορές πάνω από τον προϋπολογισμό. «Έχουμε δουλέψει όσο σκληρά μπορούσαμε για να πιάσουμε όλα τα λάθη μας και να δοκιμάσουμε και να κάνουμε πρόβες», είπε ο John Mather, ο βραβευμένος με Νόμπελ αστροφυσικός, ο οποίος ήταν επικεφαλής επιστήμονας του έργου της NASA για 25 χρόνια. Τώρα, είπε, «θα βάλουμε το τηλεσκόπιό μας αξίας δισεκατομμυρίων δολαρίων πάνω από μια στοίβα εκρηκτικών υλικών» και θα παραδώσουμε τα πράγματα στη μοίρα.

Η ιστορία της ανάπτυξης του JWST τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχει παραλληλίσει την τεράστια πρόοδο που έχουμε κάνει στην κατανόησή μας για τον κόσμο, κυρίως λόγω των προκατόχων του Webb. Με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, μάθαμε ότι τα αστέρια, οι γαλαξίες και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπήρχαν πολύ νωρίτερα στην κοσμική ιστορία από ό,τι περίμενε κανείς, και ότι έκτοτε έχουν υποστεί ριζικές αλλαγές. Μάθαμε ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια σμιλεύουν τον κόσμο. Με το τηλεσκόπιο Kepler και άλλα, έχουμε δει ότι κάθε είδους πλανήτες διακοσμούν γαλαξίες σαν στολίδια στα χριστουγεννιάτικα δέντρα, συμπεριλαμβανομένων δισεκατομμυρίων δυνητικά κατοικήσιμων κόσμων μόνο στον Γαλαξία μας. Αυτές οι ανακαλύψεις έχουν εγείρει ερωτήματα που μπορεί να αντιμετωπίσει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Οι αστρονόμοι ελπίζουν επίσης ότι, όπως και με άλλα τηλεσκόπια, οι θεάσεις του θα εγείρουν νέα ερωτήματα. «Κάθε φορά που κατασκευάζουμε νέο εξοπλισμό», είπε ο Mather, «έχουμε μια έκπληξη».

Η εκτόξευση θα ξεκινήσει αυτό που η αστρονόμος Natalie Batalha ονόμασε «έξι μήνες καρφίτσες και βελόνες», καθώς το εκπληκτικά πολύπλοκο τηλεσκόπιο θα προσπαθήσει να ξεδιπλωθεί και να εστιαστεί σε εκατοντάδες βήματα. Το αστεροσκοπείο θα περάσει ένα μήνα επιπλέοντας 1 εκατομμύριο μίλια στο σημείο Lagrange 2. Στο δρόμο, θα μεταμορφωθεί σε ένα ουράνιο νούφαρο, τοποθετώντας το γιγάντιο άνθος του από επιχρυσωμένα τμήματα καθρέφτη πάνω σε ένα ακόμη μεγαλύτερο φύλλο ασημιού.

«Θα είναι η δική μας στιγμή «τολμήστε δυνατά πράγματα»», είπε ο Γκραντ Τρέμπλεϊ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που υπηρέτησε στην επιτροπή κατανομής χρόνου του τηλεσκοπίου. «Θα κάνει καταπληκτικά πράγματα. Θα είμαστε στους The New York Times μιλώντας για το πώς αυτό είναι μάρτυρας της γέννησης των αστεριών στην άκρη του χρόνου, αυτός είναι ένας από τους πρώτους γαλαξίες, αυτή είναι η ιστορία άλλων Γης.»

«Παρακαλώ δουλέψτε», πρόσθεσε ο Τρέμπλεϊ, με τα μάτια του να ανεβαίνουν.

Από ομαλή έως ογκώδης 

Την τελευταία φορά που η NASA εκτόξευσε ένα παρατηρητήριο τέτοιας σημασίας - το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το 1990 - ήταν μια καταστροφή. «Απολύτως καταστροφικό», μου είπε η βετεράνος αστρονόμος Sandra Faber. Ο Faber ήταν στην ομάδα που στρατοπέδευσε στο Goddard Space Flight Center της NASA στο Greenbelt του Μέριλαντ, για να διαγνώσει τη διαταραχή. Από τον τρόπο που ένα αστέρι σε μια από τις φωτογραφίες του Hubble έμοιαζε με δαχτυλίδι, αυτή και ένας συνάδελφός της συμπέραναν ότι ο κύριος καθρέφτης - ο μεγάλος, κοίλος που αναπήδησε το φως σε έναν δευτερεύοντα καθρέφτη που στη συνέχεια τον αντανακλούσε σε έναν φακό κάμερας - δεν είχε αλεσθεί μέχρι τη σωστή κοιλότητα για να εστιάσετε το φως. είχε μισό μήκος κύματος πολύ παχύ γύρω από την άκρη. Εάν το πρωτεύον και το δευτερεύον κάτοπτρο είχαν δοκιμαστεί μαζί πριν από την εκτόξευση, αυτή η εκτροπή θα είχε παρατηρηθεί, αλλά στη βιασύνη να τεθεί σε ισχύ το τηλεσκόπιο που καθυστερούσε πολύ και ήταν υπερβολικά, αυτή η δοκιμή δεν έγινε ποτέ.

Ορισμένοι ηγέτες της NASA ζήτησαν την εγκατάλειψη του τηλεσκοπίου, το οποίο ήταν ήδη ένα αμφιλεγόμενο έργο. Αντίθετα, η γερουσιαστής Barbara Mikulski του Μέριλαντ εξασφάλισε τα κεφάλαια για μια αποστολή διάσωσης. Η διόρθωσή του ήταν δυνατή επειδή, ως οπτικό τηλεσκόπιο που είναι ευαίσθητο στα χρώματα του ουράνιου τόξου και όχι στο υπέρυθρο φως, το Hubble μπορεί να έχει καθαρή θέα από την τροχιά της χαμηλής Γης, μόλις 340 μίλια πάνω, αντί να χρειάζεται να ταξιδέψει ένα εκατομμύριο μίλια μακριά. . Το 1993, το διαστημικό λεωφορείο προσδέθηκε στο Hubble και οι αστροναύτες τοποθέτησαν ένα είδος φακού επαφής. Το τηλεσκόπιο θα έφερε επανάσταση στην αστρονομία και την κοσμολογία.

Ίσως το πιο σημαντικό ερώτημα σχετικά με το σύμπαν για μεγάλο μέρος του 20ού αιώνα ήταν αν είχε μια αρχή ή αν ήταν πάντα έτσι. Για τον Βρετανό κοσμολόγο Fred Hoyle και άλλους πιστούς στην τελευταία θεωρία της «σταθερής κατάστασης», «η συναρπαστική λογική ήταν η απλότητα», είπε ο Jay Gallagher, αστρονόμος και ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison. «Ότι κάποια στιγμή κάτι άλλαξε και το σύμπαν δημιούργησε την ύλη, γιατί έπρεπε να είναι αυτό;» Ο Hoyle, ο υποστηρικτής της σταθερής κατάστασης, απέδωσε την πίστη των αντιπάλων του στη «Μεγάλη Έκρηξη» (όπως την ονόμασε) στην επιρροή του Βιβλίου της Γένεσης.

Στη συνέχεια ακούστηκε ένα σφύριγμα σε μια κεραία ραδιοφώνου στα Bell Labs στο Νιου Τζέρσεϊ το 1964. Το σφύριγμα δημιουργήθηκε από μικροκύματα που έφτασαν από παντού στον ουρανό, ακριβώς όπως είχε προβλεφθεί από τη θεωρία του Big Bang. (Το φως απελευθερώθηκε σε μια πρώιμη φάση μετάβασης καθώς το καυτό, πυκνό σύμπαν ψύχθηκε.) Η ανακάλυψη του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων, όπως ονομαζόταν, δεν τερμάτισε αμέσως τη συζήτηση - άνθρωποι σταθερής κατάστασης όπως ο Hoyle δεν εμπιστεύτηκαν την ερμηνεία του και προσκολλήθηκαν στη θεωρία τους για πολλές ακόμη δεκαετίες. Αλλά για άλλους, που αναγνώρισαν τη λάμψη του Big Bang όταν το είδαν, το CMB δημιούργησε ένα παζλ. Η σχεδόν τέλεια ομοιομορφία των μικροκυμάτων που προέρχονται από όλα τα μέρη του ουρανού έδειχνε ότι το νεογέννητο σύμπαν ήταν εκπληκτικά λείο - ένας πουρές ύλης. «Το παζλ είναι ότι βλέπουμε ένα πολύ ογκώδες σύμπαν σήμερα», είπε ο Faber, ο οποίος ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής που μελετούσε γαλαξίες στα τέλη της δεκαετίας του '60. "Έτσι, η πρώτη πρόκληση για την κατανόηση των γαλαξιών είναι να κατανοήσουμε πώς το σύμπαν μετατρέπεται από ομαλό σε ογκώδες."

Οι κοσμολόγοι γνώριζαν ότι τα άτομα πρέπει να είχαν συγκεντρωθεί σταδιακά λόγω της βαρύτητας, και τελικά να σπάσουν σε δομές όπως αστέρια και γαλαξίες. Αλλά στα χαρτιά, φαινόταν ότι η ανάπτυξη της δομής θα ήταν εξαιρετικά αργή. Όχι μόνο η ύλη αρχικά κατανεμήθηκε ομαλά, και έτσι δεν τραβήχτηκε προς κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση από τη βαρύτητα, αλλά η διαστολή του διαστήματος και η πίεση που δημιουργείται από το ίδιο το φως θα είχαν λειτουργήσει για να διαχωρίσουν την ύλη, εξουδετερώνοντας την ασθενή βαρυτική της έλξη.

Εισαγάγετε τη σκοτεινή ύλη. Στη δεκαετία του 1970, η Βέρα Ρούμπιν του Ινστιτούτου Κάρνεγκι της Ουάσιγκτον παρατήρησε ότι τα περίχωρα των γαλαξιών περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα από το αναμενόμενο, σαν να χτυπιούνται από κάποια επιπλέον, αόρατη πηγή βαρύτητας. Αυτή η απόδειξη για ουσιαστική έλλειψη ύλης μέσα και γύρω από τους γαλαξίες, που ονομάστηκε σκοτεινή ύλη, ταίριαξε με τις παρατηρήσεις του Fritz Zwicky της δεκαετίας του 1930 ότι οι γαλαξίες φαίνεται να έλκονται ο ένας τον άλλον περισσότερο από όσο θα έπρεπε με βάση τη φωτεινή ύλη τους και μόνο. Επίσης, στη δεκαετία του '70, ο Jim Peebles και ο Jerry Ostriker του Πανεπιστημίου του Πρίνστον υπολόγισαν ότι οι περιστρεφόμενοι γαλαξιακές δίσκοι που αποτελούνται μόνο από αστέρια, αέριο και σκόνη πρέπει να γίνονται ασταθείς και να διογκώνονται σε σφαίρες. υπέθεσαν ότι η αόρατη ύλη πρέπει να δημιουργεί ένα ισχυρότερο βαρυτικό πηγάδι μέσα στο οποίο περιστρέφεται ο ορατός δίσκος. Το 1979, ο Faber και ο Gallagher έγραψαν μια επιδραστική εργασία που συγκέντρωνε όλα τα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη, την οποία δέσμευσαν στο 90% περίπου της ύλης στο σύμπαν. (Η τρέχουσα εκτίμηση είναι περίπου 85%). 

Αυτοί οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι η σκοτεινή ύλη, με την ουσιαστική της βαρύτητα και την αδιαπέραστη από την πίεση του φωτός, θα μπορούσε να είχε συσσωρευτεί σχετικά γρήγορα στο πρώιμο σύμπαν. Ο Peebles, ο οποίος κέρδισε το μισό του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2019 για τη συμβολή του στην κοσμολογία, ανέπτυξε μια ποιοτική εικόνα στην οποία τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα είχαν εκραγεί μαζί σε συστάδες (γνωστές ως φωτοστέφανα) που στη συνέχεια συνδυάζονταν σε όλο και μεγαλύτερες συστάδες. Ο Βρετανός αστροφυσικός Simon White έδειξε αυτή τη διαδικασία «ιεραρχικής ομαδοποίησης» σε πρωτόγονες προσομοιώσεις υπολογιστή της δεκαετίας του 1980. Αν και η ορατή ύλη ήταν πολύ περίπλοκη εκείνη την εποχή για να γίνει προσομοίωση, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η συσσωρευμένη σκοτεινή ύλη θα είχε φέρει φωτεινή ύλη στη διαδρομή:Τα άτομα θα είχαν συγκρουστεί μεταξύ τους, θα είχαν θερμανθεί, θα βυθιστεί προς το κέντρο και τελικά κατέρρευσε βαρυτικά σε αστέρια και γαλαξίες σε σχήμα δίσκου.

Αν και οι περισσότεροι κοσμολόγοι πείστηκαν για αυτήν την εικόνα, ένα μεγάλο ερώτημα ήταν πώς οι διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης εμφανίστηκαν αρχικά, ξεκινώντας τη διαδικασία βαρυτικής ομαδοποίησης. «Οι άνθρωποι δεν είχαν ξεκάθαρη ιδέα για το ποιες ήταν οι λογικές αρχικές συνθήκες για το σχηματισμό της κοσμικής δομής», μου είπε ο White, ο οποίος είναι τώρα συνταξιούχος και ζει στη Γερμανία, μέσω του Zoom. «Θα μπορούσατε να εκτελέσετε αυτές τις προσομοιώσεις, αλλά δεν είχατε ιδέα τι θα έπρεπε να βάλετε στην αρχή».

«ΘΕΑΜΑΤΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ», έγραψε ο κοσμολόγος Άλαν Γκουθ στο σημειωματάριό του το 1979. Είχε υπολογίσει ότι αν το διάστημα ανατινάχθηκε ξαφνικά σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης, αυτό θα εξηγούσε πώς έγινε τόσο τεράστιο, ομαλό και διαμέρισμα. Ο κοσμικός πληθωρισμός, όπως ονόμασε ο Guth την αρχέγονη ανάπτυξη, έγινε γρήγορα δημοφιλής ως πρόσθετο Big Bang. Οι κοσμολόγοι σύντομα παρατήρησαν ότι, κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, οι κβαντικές διακυμάνσεις στον ιστό του διαστήματος θα είχαν παγώσει καθώς το διάστημα ανατινάχθηκε, δημιουργώντας ανεπαίσθητες διακυμάνσεις πυκνότητας σε όλο το σύμπαν. Τα υποτιθέμενα πυκνά σημεία που δημιουργήθηκαν από τον πληθωρισμό θα μπορούσαν να έχουν χρησιμεύσει ως σπόροι μελλοντικών δομών.

Αυτές οι μικροσκοπικές παραλλαγές πυκνότητας μετρήθηκαν πράγματι στο CMB στις αρχές της δεκαετίας του 1990 - το κατόρθωμα που κέρδισε τον John Mather, τον κορυφαίο επιστήμονα του τηλεσκοπίου Webb, το Νόμπελ του. Αλλά ακόμη και πριν μετρηθούν, άνθρωποι όπως ο Faber δούλευαν τα πυκνά σημεία στην πλοκή. Το 1984, αυτή και τρεις συν-συγγραφείς δημοσίευσαν μια εργασία στο Nature που τα ένωσε όλα. "Είναι η πρώτη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο ο πληθωρισμός μπορεί να κάνει διακυμάνσεις και τι θα έκαναν οι διακυμάνσεις αργότερα για να δημιουργήσουν γαλαξίες", είπε.

Αλλά η ιστορία ήταν εικαστική από την αρχή μέχρι το τέλος. Και ακόμα κι αν ήταν σε γενικές γραμμές αλήθεια, οι βασικές ημερομηνίες και λεπτομέρειες ήταν άγνωστες.

Μία από τις πιο εντυπωσιακές ανακαλύψεις του τηλεσκοπίου Hubble και μια σημαντική ώθηση για την κατασκευή του διαδόχου του, του Webb, συνέβη το 1995, δύο χρόνια μετά την εγκατάσταση του διορθωτικού φακού του. Ο Μπομπ Ουίλιαμς, τότε διευθυντής του Επιστημονικού Ινστιτούτου του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη, του κέντρου επιχειρήσεων για το Hubble όπως θα είναι και για τον Γουέμπ, αποφάσισε μετά από πρόταση ορισμένων μεταδιδακτόρων να αφιερώσει και τις 100 ώρες από τον «διακριτικό χρόνο του διευθυντή» του, με τον οποίο μπορούσε να στρέψει το Hubble όπου ήθελε, να μην το στρέψει σε τίποτα – ένα σκοτεινό, χωρίς χαρακτηριστικά κομμάτι του ουρανού πιο στενό από μια μικρογραφία φεγγαριού. Η ιδέα ήταν να αναζητήσουμε τυχόν απίστευτα αμυδρά, μακρινά αντικείμενα που θα μπορούσαν να κρύβονταν πέρα ​​από την εμβέλεια των λιγότερο ευαίσθητων τηλεσκοπίων.

Οι συνάδελφοι θεώρησαν ότι αυτό ήταν σπατάλη. Ο αείμνηστος John Bahcall προσπάθησε να αποτρέψει τον Williams από αυτό. Ο Bahcall και η σύζυγός του, Neta Bahcall, γνωστοί αστροφυσικοί, ήταν τυπικοί στη σκέψη ότι δομές όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες εμφανίστηκαν σχετικά αργά στην κοσμική ιστορία. Αν ναι, τότε η προσπάθεια επίλυσης αχνά, μακρινά, παλιά αντικείμενα δεν θα λειτουργούσε, γιατί κανένα δεν θα υπήρχε. Οι Bahcalls και πολλοί άλλοι θεωρητικοί πίστευαν ότι η φωτογραφία του Williams θα ήταν σκοτεινή.

Αλλά κατά τη διάρκεια της έκθεσης των 100 ωρών, το καπάκι ενός σεντούκι θησαυρού άνοιξε:Το μικρό ορθογώνιο του διαστήματος άστραφτε με χιλιάδες γαλαξίες όλων των σχημάτων, μεγεθών και αποχρώσεων. Οι αστρονόμοι έμειναν έκπληκτοι.

Οι πιο μακρινοί γαλαξίες στη φωτογραφία του Hubble Deep Field φαίνονται πιο κόκκινοι, καθώς το φως τους έχει ταξιδέψει περισσότερο στο διαστελλόμενο διάστημα για να φτάσει εδώ και επομένως έχει τεντωθεί ή «μετατοπιστεί στο κόκκινο» σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Μέσω αυτής της χρωματικής κωδικοποίησης, η εικόνα του Deep Field παρέχει μια τρισδιάστατη άποψη του σύμπαντος και ένα χρονοδιάγραμμα της εξέλιξης των γαλαξιών. Οι γαλαξίες εμφανίζονται σε όλες τις ηλικίες και στάδια ανάπτυξης - απόδειξη ότι το σύμπαν έχει αλλάξει ριζικά με την πάροδο του χρόνου. «Έφυγε από το παράθυρο, για να μην ακουστεί ποτέ ξανά, ήταν η θεωρία της σταθερής κατάστασης», είπε ο Faber. «Αυτή ήταν μια μεγάλη πνευματική ανακάλυψη, ότι μπορούσες να τραβήξεις μια φωτογραφία με ένα τηλεσκόπιο, μπορούσες να κοιτάξεις πίσω στο χρόνο και μπορούσες να δεις ότι το σύμπαν ήταν ένα διαφορετικό θηρίο τότε».

Η φωτογραφία έδειξε ότι φωτεινά αντικείμενα σχηματίστηκαν στο σύμπαν πολύ πιο γρήγορα από ό,τι περίμεναν οι περισσότεροι ειδικοί. Αυτό ενίσχυσε τη θεωρία ότι δεν σχηματίστηκαν μόνο με τη δύναμη της βαρύτητάς τους, αλλά μεταφέρθηκαν στην πλάτη των συγχωνευμένων φωτοστέφανων της σκοτεινής ύλης.

Οι γαλαξίες στα πρώτα χρόνια ήταν παράξενοι - μικροί και ατημέλητοι, σαν άσχημα παπάκια που θα χρειάζονταν δισεκατομμύρια χρόνια για να γίνουν κύκνοι. «Το όμορφο σύμπαν με τους όμορφους [σπειροειδείς και ελλειπτικούς γαλαξίες] του σήμερα είναι πραγματικά μια καθυστερημένη εξέλιξη», είπε ο Faber, «και αυτό ήταν επίσης ορατό στην εικόνα». Μερικοί από τους γαλαξίες παπάκια συγκρούονταν και συγχωνεύονταν, υποστηρίζοντας την ιεραρχική θεωρία ομαδοποίησης της ανάπτυξης της κοσμικής δομής. Και οι συστάδες αστεριών στους παλιούς γαλαξίες ήταν εκπληκτικά φωτεινές, υποδεικνύοντας ότι τα αστέρια ήταν πολύ πιο ογκώδη και φωτεινά από τα σύγχρονα αστέρια τύπου ήλιου.

Οι αστρονόμοι παρατήρησαν ότι οι περισσότεροι γαλαξίες έφτασαν στη μέγιστη φωτεινότητα, σχηματίζοντας αστέρια πιο γρήγορα, γύρω από την «ερυθρή μετατόπιση 2» - την απόσταση από την οποία το φως έχει τεντωθεί στο διπλάσιο του εκπεμπόμενου μήκους κύματος μέχρι να φτάσει εδώ, που αντιστοιχεί σε περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μετά από αυτό, για λόγους που τώρα πιστεύεται ότι σχετίζονται με τις μυστηριώδεις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που αναπτύσσονται στα κέντρα των γαλαξιών, πολλοί γαλαξίες μειώθηκαν.

Το πιο εντυπωσιακό πράγμα σχετικά με το χρονοδιάγραμμα της εξέλιξης των γαλαξιών που είναι ορατό στη φωτογραφία του Deep Field, ήταν ότι δεν υπάρχει αρχή στον ορίζοντα. Όσο μπορούσε να δει το γυάλινο μάτι του Hubble, υπήρχαν γαλαξίες. Σε φωτογραφίες ακόμη βαθύτερου πεδίου που τραβήχτηκαν με αναβαθμισμένες κάμερες που οι αστροναύτες εγκατέστησαν αργότερα στο τηλεσκόπιο, έχουν εντοπιστεί προσωρινά μουτζούρες φωτός μέχρι το redshift 10, που αντιστοιχεί σε περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τώρα θεωρείται πιθανό ότι οι δομές άρχισαν να σχηματίζονται εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν από αυτό.

Αλλά οι γαλαξίες στη διαδικασία σχηματισμού, με την ύλη τους να κατακερματίζεται με κάποιο τρόπο σε αστέρια για πρώτη φορά, είναι τόσο μακριά όσο και πολύ αμυδρά για να ανιχνεύσει το Hubble και πολύ μετατοπισμένοι προς το κόκκινο:Το φως από αυτούς τους γαλαξίες έχει απλωθεί κατευθείαν έξω από το ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και στο υπέρυθρο. Για να τα δούμε, χρειαζόμαστε ένα μεγαλύτερο τηλεσκόπιο με ανίχνευση υπέρυθρων.

«Αυτό που πέτυχε το Hubble με το Βαθύ Πεδίο του Χαμπλ είναι να ανακαλύψει ότι υπήρχαν γαλαξίες με μετατοπίσεις στο κόκκινο πολύ υψηλότερα από ό,τι πιστεύαμε», μου είπε η Νέτα Μπαχκάλ. "Μια ερώτηση για τον James Webb είναι πότε ξεκίνησε και πώς ξεκίνησε τόσο νωρίς."

Planets Out the Wazoo

Τον Οκτώβριο του 1995, δύο μήνες προτού το Hubble κοιτάξει το βλέμμα του και ρίξει μια ματιά στην ιστορία του χρόνου, ο Ελβετός αστρονόμος Michel Mayor ανακοίνωσε μια άλλη σημαντική ανακάλυψη σε ένα συνέδριο στη Φλωρεντία της Ιταλίας:αυτός και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του, Didier Queloz, είχαν εντοπίσει έναν πλανήτη σε τροχιά άλλου αστέρι.

Στο πίσω μέρος της αίθουσας στην ομιλία του Mayor, η Natalie Batalha, τότε μεταπτυχιακή φοιτήτρια από την Καλιφόρνια, δεν κατάφερε να καταγράψει τη σημασία όσων μόλις είχε ακούσει. «Είναι αστείο πώς συμβαίνουν αυτά τα πράγματα, γιατί εκ των υστέρων ήταν μια κομβική στιγμή», είπε πρόσφατα η Batalha, πλαισιωμένη από τρεις πλανήτες που περιφέρονται γύρω από ένα αστέρι στο εικονικό της φόντο. "Ήταν η αυγή αυτής της νέας εποχής εξερεύνησης εξωπλανητών, αλλά ήταν επίσης μια μεταμορφωτική στιγμή στη ζωή μου και δεν το ήξερα ακόμα."

Εκείνη την εποχή, η αναζήτηση εξωπλανητών ήταν ένα επιστημονικό τέλμα και η μέθοδος του Mayor και του Queloz φαινόταν μακρινή. Χρησιμοποιώντας έναν φασματογράφο, ο οποίος διαιρεί το αστρικό φως στα έγχρωμα συστατικά του, παρακολούθησαν περισσότερα από 100 αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο ελπίζοντας να ανιχνεύσουν μια μετατόπιση Doppler, όπου ένα αντικείμενο φαίνεται πιο μπλε ή πιο κόκκινο όταν πλησιάζει ή υποχωρεί, αντίστοιχα. Αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει ότι το αστέρι ταλαντεύεται επειδή διαταράσσεται από τη βαρύτητα ενός πλανήτη σε τροχιά. Η τεχνική φαινόταν τραβηγμένη, επειδή ένας πλανήτης θα έπρεπε να είναι τραγελαφικά βαρύς και κοντά στο άστρο υποδοχής του για να βάλει το αστέρι να ταλαντεύεται αρκετά ώστε να φαίνεται με τους καλύτερους διαθέσιμους φασματογράφους. Ωστόσο, όταν ο Mayor και ο Queloz κοίταξαν το 51 Pegasi, ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο 50 έτη φωτός μακριά, η ταλάντευση ήταν τεράστια:εξαλείφοντας άλλες πιθανότητες, προσδιόρισαν ότι ένας πλανήτης μεγέθους Δία χτυπά γύρω από το αστέρι μία φορά κάθε 4,2 ημέρες, οκτώ φορές πιο κοντά σε Η απόσταση του Ερμή από τον ήλιο μας.

Όχι μόνο ο Mayor και ο Queloz είχαν δημιουργήσει έναν εξωπλανήτη (και, τελικά, το άλλο μισό του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2019, το οποίο μοιράστηκε με τον Peebles), αλλά και ο ίδιος ο πλανήτης, 51 Pegasi b, ανέτρεψε μόνος του την κατανόηση του σχολικού βιβλίου για το τι είναι τα ηλιακά συστήματα σαν. Όπως το έθεσε η πλανητολόγος Heidi Hammel, «Μας είχαν μάθει ένα υπέροχο παραμύθι για το πώς σχηματίστηκε το ηλιακό μας σύστημα», ένα που σχεδιάστηκε να εξηγήσει γιατί οι βραχώδεις πλανήτες βρίσκονται κοντά σε ένα αστέρι ενώ γιγάντιοι πλανήτες αερίου και πάγου σχηματίζονται μακριά. Τι έκανε λοιπόν το 51 Pegasi b, ένας «καυτός Δίας», βόσκοντας ουσιαστικά τον ήλιο του;

Ο Batalha θυμάται την αντίδραση του κοινού στη Φλωρεντία στην παρουσίαση του Mayor — σιωπή. Σύντομα, όμως, ο σκεπτικισμός έδωσε τη θέση του σε περισσότερες ανακαλύψεις του Δία. Και καθώς βελτιώθηκαν τα τηλεσκόπια και οι τεχνικές, εμφανίστηκαν και άλλοι εξωπλανήτες. Δεκαέξι χρόνια μετά από εκείνη την ημέρα στη Φλωρεντία, ο Batalha θα ηγηθεί της ομάδας της NASA που ανακάλυψε τον πρώτο επιβεβαιωμένο βραχώδη εξωπλανήτη, τον Kepler 10b.

Μεγαλώνοντας στο East Bay της Καλιφόρνια, η Batalha (τότε Natalie Stout) δεν σκεφτόταν σχεδόν καθόλου την επιστήμη, αν και ενθουσιάστηκε, σε ηλικία 17 ετών, από το ταξίδι της Sally Ride στο διάστημα το 1983. Αν και κανένας από τους γονείς της δεν πήγε στο κολέγιο, έγινε δεκτή στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, εισερχόμενος ως επιχειρηματίας. Στη συνέχεια, όμως, ενώ έπλενε ρούχα ένα Σαββατοκύριακο δευτεροετής, θυμάται ξαφνικά να λέει στον εαυτό της:«Ξεχάστε το ταλέντο, τους πόρους. Αν μπορούσα να κάνω κάτι στον κόσμο, τι θα ήταν αυτό;» Και παραδόξως η απάντηση ήρθε σε μένα αμέσως, και ήταν να δουλέψω για το διαστημικό πρόγραμμα.»

Γράφτηκε σε ένα μάθημα φυσικής. Πάλεψε, αλλά το αγάπησε. Το ότι τα καθημερινά γεγονότα θα μπορούσαν να εξηγηθούν με μαθηματικές εξισώσεις «έδωσαν νόημα στη ζωή μου», είπε ο Batalha. «Με έκανε να δω τη θέση μου στο σύμπαν διαφορετικά. Σκέφτηκα ότι αν μπορούσατε να γράψετε μια εξίσωση για να εξηγήσετε την παρεμβολή των λεπτών μεμβρανών» - ο λόγος που οι λιπαρές λακκούβες δημιουργούν λάμψεις ουράνιου τόξου - «ποιο όριο υπάρχει σε αυτά που μπορούμε να γνωρίζουμε για τον φυσικό κόσμο;»

Η Batalha σκέφτηκε ότι θα συνδύαζε την επιστήμη με τις επιχειρήσεις με κάποιο τρόπο. Συνέχισε να παρακολουθεί μαθήματα και στη συνέχεια προσγειώθηκε για μια καλοκαιρινή πρακτική στο Υπέρυθρο Παρατηρητήριο του Ουαϊόμινγκ, ένα από τα λίγα επίγεια υπέρυθρα τηλεσκόπια. Όταν έφτασε εκεί, είπε στον σύμβουλό της και στην ομάδα της ότι δεν ήταν σαν αυτούς, ότι δεν σχεδίαζε να γίνει επιστήμονας. Αλλά όταν ο σύμβουλός της της έδωσε ένα πρόβλημα να δουλέψει και εκείνη το έλυσε, κάτι που αργότερα οδήγησε σε μια δημοσίευση, της είπε «να μην πουλάω τον εαυτό μου κοντά», είπε, και να χτυπήσει την πόρτα του Gibor Basri όταν επιστρέψει στο Μπέρκλεϊ. .

Ο Basri, ένας αστρικός αστρονόμος, την έβαλε να εργαστεί αναλύοντας τα φάσματα των αστεριών. Η εμπειρία της επιστημονικής μεθόδου από πρώτο χέρι την καθήλωσε. Ερωτεύτηκε επίσης τον συνεργάτη της στο γραφείο, τον μεταδιδάκτορα του Basri, Celso Batalha. Τον παντρεύτηκε, πήγε σε μεταπτυχιακό στην αστρονομία στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ και απέκτησε διαδοχικά έναν γιο, τον Νόλαν, και την κόρη, τη Νατάσα. Θα ακολουθούσαν άλλα δύο παιδιά. Κατά τη διάρκεια αυτών των ετών, αυτή και ο Celso Batalha, ο οποίος είναι Βραζιλιάνος, μετέφεραν την οικογένεια πέρα ​​δώθε μεταξύ Καλιφόρνια και Ρίο ντε Τζανέιρο. Η ζωή στο Ρίο ήταν όμορφη αλλά περίπλοκη. θυμάται ότι περνούσε μπροστά από κάποιες φτωχογειτονιές και είδε ένα απανθρακωμένο πτώμα στην άκρη του δρόμου. Τελικά εγκαταστάθηκαν στην περιοχή του κόλπου.

Θεωρώντας τον εαυτό της κυρίως μητέρα που έκανε αστρονομία στο πλάι, η Batalha δεν παρακολούθησε ποτέ συνέδρια. Αλλά όταν προσκλήθηκε να παρουσιάσει νέα δεδομένα για τα αστέρια σε μια συνάντηση αστρικής φασματοσκοπίας στη Βιέννη το φθινόπωρο του 1995, έκανε μια εξαίρεση, πηγαίνοντας τους γονείς της στην Ευρώπη για να φροντίσουν το μικρότερο παιδί της. Αποφάσισε να μείνει για ένα άλλο συνέδριο για τους πλανήτες που λάμβανε χώρα στη Φλωρεντία την επόμενη εβδομάδα. Ήταν την τελευταία μέρα της δεύτερης διάσκεψης που ο Batalha παρατήρησε μια τηλεοπτική κάμερα να στήνεται για μια ομιλία που είχε προστεθεί στο πρόγραμμα την τελευταία στιγμή. «Τότε ο Michel Mayor σηκώνεται και μιλάει τόσο αδιάφορα για αυτήν την ανακάλυψη του πλανήτη», είπε.

Στην αρχή, ο Batalha σκέφτηκε ελάχιστα για τον νεοανακαλυφθέν καυτό Δία και συνέχισε να μελετά τα αστέρια στη Σάντα Κρουζ. Στη συνέχεια, περίπου ένα χρόνο αργότερα, άκουσε για έναν επιστήμονα στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA στη Silicon Valley, ονόματι Bill Borucki, ο οποίος ήταν αποφασισμένος να κατασκευάσει ένα διαστημικό τηλεσκόπιο ικανό να ανιχνεύει βραχώδεις εξωπλανήτες στο μέγεθος της Γης, όχι μόνο γίγαντες αερίου. Ο Borucki σχεδίαζε να χρησιμοποιήσει τη μέθοδο διέλευσης:Αντί να παρακολουθεί τις αλλαγές στο χρώμα του αστρικού φωτός, όπως έκαναν ο Mayor και ο Queloz, θα έψαχνε για περιοδικές βυθίσεις στην ένταση του αστρικού φωτός που προκαλείται από έναν πλανήτη σε τροχιά που διέσχιζε μπροστά από το αστέρι, εμποδίζοντας ένα μικρό κομμάτι. του φωτός του.

Ο Batalha δεν πίστευε ότι αυτό θα λειτουργούσε. Οι αστρικές κηλίδες, όπως έτυχε να γνωρίζει, έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος με τη Γη. Έτσι σκέφτηκε ότι ένας μικρός διερχόμενος πλανήτης θα ήταν δυσδιάκριτος από μια αστρική κηλίδα που σαρώνει γύρω σε ένα περιστρεφόμενο αστέρι. Έγραψε στον Μπορούκι για το πρόβλημα. Έγραψε πίσω και είπε ότι η NASA είχε απορρίψει την πρότασή του εν μέρει για αυτόν ακριβώς τον λόγο και θα ερχόταν να δουλέψει μαζί του στο Ames για να βρει πώς να ξεχωρίζει τα σημεία των αστέρων από τους βραχώδεις κόσμους;

Θα το έκανε, και το έκαναν. Την επόμενη φορά, η NASA φώτισε την πρόταση του Borucki και ο Batalha έγινε επιστήμονας του έργου. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler — σχεδιασμένο από τον Borucki και την ομάδα του για να παρακολουθεί συνεχώς τη φωτεινότητα περίπου 150.000 αστεριών αναζητώντας τις βουτιές διερχόμενων πλανητών — απογειώθηκε τον Μάρτιο του 2009. Το Batalhas πήγε και τα τέσσερα παιδιά στο Cape Canaveral της Φλόριντα για την εκτόξευση .

Το Kepler παραδόθηκε σε πλανήτες μεγέθους Γης. «Το Kepler 10b εντοπίστηκε τις πρώτες 10 ημέρες δεδομένων που λάβαμε πίσω από το διαστημόπλοιο», είπε ο Batalha. Όταν σχεδίασαν τη φωτεινότητα του ξενιστή με την πάροδο του χρόνου, η βύθιση ήταν ορατή στο μάτι. Οι επακόλουθες παρατηρήσεις από το έδαφος επιβεβαίωσαν ότι ήταν ένας γνήσιος πλανήτης που, με βάση τη μάζα και την ακτίνα του, έπρεπε να είναι βραχώδης. Ο Batalha παρουσίασε την αδιαμφισβήτητη ανίχνευση τον Ιανουάριο του 2011, μετά από έναν πιο δοκιμαστικό ισχυρισμό ενός βραχώδους εξωπλανήτη με την ένδειξη CoRoT-7b από αστρονόμους στην Ευρώπη. Ούτε το Kepler 10b ούτε το CoRoT-7b κέρδισαν τον πολυπόθητο χαρακτηρισμό «Γη-όπως», επειδή περιφέρονταν κοντά στο μητρικό τους αστέρι και όχι στην «κατοικήσιμη ζώνη», όπου το νερό είναι υγρό. (Ο πρώτος βραχώδης, υδάτινος και δυνητικά σαν τη Γη πλανήτης, ο Kepler 186f, έγινε πρωτοσέλιδο το 2014. Ο Batalha δεν συμμετείχε επίσημα στην ανάλυση.)

Το τηλεσκόπιο Κέπλερ, προτού καταστραφεί πρόωρα από την αστοχία δύο από τους κινητήρες του, ανακάλυψε περισσότερους από 2.600 εξωπλανήτες. Πάνω από 4.500 έχουν καταμετρηθεί συνολικά, αριθμός ικανός για να μελετήσουν οι αστρονόμοι τις στατιστικές τους ιδιότητες. Ακριβώς όπως είχε προτείνει το 51 Pegasi b, το ηλιακό μας σύστημα είναι άτυπο. Για παράδειγμα, ο πιο κοινός τύπος πλανήτη στον γαλαξία είναι ένα μέγεθος που δεν έχουμε, ανάμεσα σε βραχώδεις πλανήτες και γίγαντες. Οι πλανητικοί αστρονόμοι δεν καταλαβαίνουν ακόμη το πλεόνασμα αυτών των λεγόμενων υπερ-γαιών ή υπο-Ποσειδώνων, ούτε πώς είναι αυτοί οι πλανήτες μεσαίου μεγέθους ή πώς σχηματίζονται. Απαιτούνται νέες αρχές σχηματισμού και εξέλιξης πλανητών.

Επεκτείνοντας τα μέχρι στιγμής δεδομένα, οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο γαλαξίας μας περιέχει δισεκατομμύρια βραχώδεις, υδάτινους πλανήτες, υποδηλώνοντας ότι η ζωή, επίσης, μπορεί να είναι κοινή. Ωστόσο, έως ότου βρούμε αποδείξεις ότι η ζωή κατοικεί πραγματικά σε έναν άλλο πλανήτη, παραμένει πιθανό ότι η εμφάνισή της στη Γη ήταν απρόβλεπτη και ότι είμαστε μόνοι.

Ευτυχώς, το τηλεσκόπιο Webb θα είναι αρκετά ισχυρό για να ανιχνεύει τις ατμόσφαιρες και τα κλίματα άλλων Γης — ή ακόμα και, αν είμαστε πολύ τυχεροί, να βρούμε στοιχεία για μια πραγματική εξωγήινη βιόσφαιρα.

"Το υπέρυθρο είναι φανταστικό για εξωπλανήτες", είπε ο Batalha.

One Strike and You're Out 

Ένα πρωί του 1987, ο αστροφυσικός Riccardo Giacconi, ο οποίος ήταν τότε διευθυντής του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικού Τηλεσκοπίου (STScI) και του Hubble που δεν εκτοξεύτηκε ακόμη, ζήτησε από τον αναπληρωτή διευθυντή Garth Illingworth να αρχίσει να σκέφτεται τον διάδοχο του Hubble. "Η άμεση αντίδρασή μου είναι, "Αργκ, δεν έχουμε καν εκτοξεύσει ακόμη το Hubble, και έχουμε ένα εκατομμύριο πράγματα να κάνουμε εκεί - έχει μεγάλα προβλήματα - οπότε πώς μπορούμε να το κάνουμε και αυτό;" θυμάται ο Illingworth; πρόσφατα. «Είπε, «Πιστέψτε με, πρέπει να ξεκινήσετε νωρίς γιατί ξέρω ότι χρειάζονται χρόνια για να το κάνετε αυτό». εκστρατεία από τον Lyman Spitzer του Princeton. είναι γνωστοί ως η μητέρα και ο πατέρας του Hubble.

Ο Illingworth, ο οποίος είναι από την Αυστραλία, συναντήθηκε με τους συναδέλφους του στο STScI Pierre Bely από τη Γαλλία και Peter Stockman από τις ΗΠΑ για να συζητήσουν το διαστημικό τηλεσκόπιο επόμενης γενιάς. Βασικά δεν είχαν τίποτα να συνεχίσουν. «Αρχίσαμε να σκεφτόμαστε τι θα ήταν καλό να προχωρήσουμε πέρα ​​από το Hubble και να συμπληρώσουμε ό,τι έκανε και να εξερευνήσουμε νέες περιοχές», είπε ο Illingworth, «και το IR ήταν μια καθαρή περιοχή». Το υπέρυθρο φως είναι απαγορευτικά δύσκολο να παρατηρηθεί από το έδαφος. Το τρίο υπολόγισε ότι στο διάστημα, όπου το υπέρυθρο φόντο είναι πάνω από 1 εκατομμύριο φορές χαμηλότερο, θα υπήρχαν πολλά να δούμε. «Όταν βάζεις μια ισχυρή νέα ικανότητα εκεί έξω, ανοίγεις έναν τεράστιο αριθμό επιστημονικών οριζόντων».

Για να είναι ένα τηλεσκόπιο υπερύθρων τόσο ευαίσθητο όσο το Hubble, το οποίο έχει έναν πρωτεύοντα καθρέφτη πλάτους 2,4 μέτρων, οι Illingworth, Bely και Stockman συνειδητοποίησαν ότι θα έπρεπε να είναι σημαντικά μεγαλύτερο, καθώς ανιχνεύει μεγαλύτερα μήκη κύματος. They considered that the mirror might have to fold to fit in a rocket. They also knew it had to be cold, otherwise its heat would saturate its own sensors. Rather than actively cool the telescope, they thought to exploit the extreme frigidity of outer space by blocking the heat of the Earth, moon and sun. Their vague conception of a large, passively cooled infrared telescope, greatly elaborated upon, would become the cargo now awaiting launch in Kourou.

Leading astronomers convened at STScI in 1989 to discuss the science that an infrared space telescope might be good for. Discussions slowed during Hubble’s disastrous start and salvation, then picked up again in the mid-’90s. In 1995, John Mather, a reedy, gentlemanly astrophysicist at the Goddard Space Flight Center, got a call from NASA headquarters asking if he’d like to join the project. Realizing that an infrared telescope “would do so much for so many people,” he dropped everything and signed on. He’s been JWST’s top scientist ever since.

Mather calls himself a “theoretical instrument builder.” He started building telescopes as a kid in pastoral New Jersey, assembling parts from catalogs in the hope of getting a closer look at the surface of Mars. As a young man in the 1970s, Mather worked on a balloon-borne instrument that failed; he and his colleagues concluded that they hadn’t tested it enough before launch. “Murphy’s law had been proven one more time,” he wrote in an autobiographical account. But lessons learned led to the triumph of COBE, the NASA satellite experiment for which he and George Smoot would share the Nobel. In the early ’90s, COBE measured the subtle variations in the cosmic microwave background that are thought to have seeded all later cosmological structures. In Mather’s mind, theorizing about the cosmos is fine, but you need ingenious instruments to know anything for sure. “So let’s build the equipment,” he told me this fall. “To me that’s a heroic thing to do.”

Mather had contemplated wild designs, including telescopes that fold. In the difficult budgetary climate of 1996, however, a committee of top astronomers studying the infrared telescope concept proposed a 4-meter mirror, which would fit in a rocket fairing, dramatically cutting costs and complexity. Illingworth thought this was “stupid. It was not going to be as good as Hubble.” NASA’s leader at the time, Dan Goldin, evidently felt similarly. At the American Astronomical Society meeting that year, Goldin said in an address:“Why do you ask for such a modest thing? Why not go after 6 or 7 meters?” As committee member Wendy Freedman remembers it, “Goldin essentially said, ‘You guys are really a bunch of scaredy-cats.’” He got a standing ovation. “In my mind he saved the telescope,” said Illingworth. It would be bigger. It would also have to fold after all.

After some heady talk about 8 meters, in 2001 NASA finally settled on 6.5 meters for the segmented mirror’s diameter, giving the next-generation telescope more than six times Hubble’s light-collecting area. The question was:How can you fit a 6.5-meter-wide mirror in a 5.4-meter-wide rocket fairing?

“A big part of the design is how do you fold it up,” Mather said. Outside contractors developed competing mirror designs. Lockheed Martin’s mirror folded like six petals of a flower, Ball Aerospace’s like a drop-leaf tabletop. TRW proposed putting mirror segments in place the way an old jukebox puts records down. After mulling over the proposals for a year, Mather and his team adopted bits and pieces from each. The main contract went to TRW because of the company’s extensive experience building complex satellites for the U.S. military and its successful construction of the Chandra X-ray observatory. (TRW was soon purchased by Northrop Grumman.) The mirror design would be closer to Ball Aerospace’s:an array of 18 hexagonal segments forming a larger hexagon that would fold on two sides. Mike Menzel, who spearheaded Lockheed Martin’s proposal, was brought on by NASA as Webb’s chief engineer.

The mirrors would be made of beryllium — light, strong, stiff stuff that’s toxic in powder form (“Beryllium is a pain in the neck, but it’s the only thing that would work,” according to Mather). Powdered beryllium was pressed into blocks in Ohio, then cut to shape in Alabama. The 18 mirror segments were then topped with a layer of gold, which is supremely reflective of infrared light, and polished in a California factory built specifically for the purpose. “Shaping and polishing telescope mirrors is a dark art that goes back hundreds of years,” said Sarah Kendrew, a Belgian-British astronomer who works on MIRI, one of Webb’s instruments.

Motors with unprecedented finesse would be needed to bring the hexagonal mirror segments into collective focus in space. “That’s something we had to invent right away,” Mather said. “If you can’t do that, you can’t make the whole observatory work.” Ball Aerospace delivered actuators capable of nudging each of the gold hexagons in 10-nanometer increments, one ten-thousandth the width of a hair. Mather said the motors work by “flexing,” or “converting a big motion into a tiny motion,” though Ball’s design, despite being taxpayer-funded, is proprietary. “When we take a picture of the telescope we have to make sure no one could see the motors,” he said.

In 2002, the telescope got a name. NASA administrator Sean O’Keefe broke a tradition of naming telescopes for scientists — the Hubble telescope, for instance, refers to the American astronomer Edwin Hubble — and instead honored an earlier administrator, James Webb, who was head of the space agency during the Apollo era. The choice was immediately unpopular with astronomers and has grown increasingly so. Last year, 1,200 astronomers signed a petition to rename the telescope after claims that Webb either aided or chose to ignore the firing of gay government employees during the Lavender Scare. After an investigation, NASA announced in October that historians found no evidence warranting a name change.

Various institutions, from the University of Arizona to the European Space Agency, signed up to build the cameras, spectrographs and coronagraphs that will swivel into place at the focal point of the optics, slicing and dicing different chunks of the pooled infrared light. In exchange, these institutional partners will command extensive telescope time.

As for the sunshield, the flimsy material on which the infrared telescope’s fate rests, the team quickly settled on Kapton, a slithery silver plastic that looks like the inside of a potato chip bag but has the thickness of a human hair. Since it might tear, the sunshield would need many layers for redundancy — the team decided on five — and the layers would have to be unfurled, separated and held taut by a system of booms, cables and strings. Propulsion systems and solar panels would go on the sunward side, and the optics and instruments, which must operate below minus 223 degrees Celsius, would huddle on the dark side. “JWST has a lot of firsts, an awful lot of significant firsts,” Menzel, the chief engineer, told me, “but that sunshield is one of them.”

Menzel, who is thickset with a neatly clipped gray beard, oversees thousands of people’s work on one of the most complicated engineering projects in history; he’s also the type of person who tells you right away where they’re from. That would be Elizabeth, New Jersey — Exit 13 off the turnpike — where his father drove a cab. On a recent Zoom call, Menzel bent his arm back and forth at the elbow to explain the challenge presented by the sunshield. “If you take something rigid, like a door, and you build a nice hinge, you can predict the way that moves,” he said. “That’s a piece of cake.” He stopped bending his arm. “Now you got blankets. They’re floppy. Try to push on a blanket on your bed and predict the shape that it’s going to go in. It’s horrible. Same thing with a string — the strings that tension [the sunshield]. There’s a million different ways that a string can move.” It gets worse:“Now put all this experience in zero-G, where that stuff can go in places you just don’t want it to go.” Smoothly unfolding the sunshield “becomes a very tough problem.”

Around 2004, the NASA engineers Chuck Perrygo and Keith Parrish came into Menzel’s office at Goddard and said they had a way to do it. Perrygo picked up a piece of paper on Menzel’s desk and folded it into the shape of a Z. The sunshield could be folded into many more such zigzags, in what’s sometimes called an accordion fold. “I’m pretty good at recognizing a bad answer, and I’m pretty good at recognizing a right answer,” Menzel told me, holding up a piece of paper he had folded into a Z shape. “So we all saw that and thought, that’s a way to pursue it.” Northrop Grumman was separately coming to the same conclusion.

The next question was how to hold the accordion fold in place until the sunshield was ready to unfurl. A Northrop Grumman engineer, Andy Tao, found the solution:107 pins that retract like a cat’s claws.

The pin approach sprouted another tricky problem:pins make pinholes. If, after unfurling, pinholes on all five Kapton layers were to line up, this would let a sunbeam through, heating the optics. “It was one of those arcane little details that you’d never guess until you start getting into it and you start finding out, ah, Christ, five of the pinholes are lining right up and that’s going to let sunlight right in,” Menzel said. “It doesn’t sound like much, but it was driving Andy to drink. And God bless him, he figured it out.” Tao diligently sought out a suitable configuration of pins so that the holes in the five slightly-different-size Kapton layers would never align from any angle.

The moles were being whacked so slowly that astronomers began referring to the situation as “the JWST problem.” Back in 1996, Mather and his team estimated that the telescope would cost $564 million — a somewhat disingenuous guess aimed at getting Congress on board — and that it would launch in 2007. As the price tag soared and the launch date hopped ever farther into the future, Congress grew impatient. In 2011, JWST was nearly canceled, but elementary school students wrote letters to Washington and Senator Mikulski again came to NASA’s rescue.

Glass, metal and plastic gradually got bolted together in clean rooms at Goddard, Northrop Grumman, Ball Aerospace and elsewhere. But the assembled hardware couldn’t simply be sent skyward, because the telescope is going a million miles away, where astronauts with wrenches can’t visit. As Northrop Grumman engineer Jon Arenberg once put it, “This is a one-strike-and-you’re-out business.” Webb must deploy flawlessly on the first and only try. That means it had to be extensively, painstakingly tested on the ground. And in 2017 and 2018, these tests turned up one problem after another.

After a “shake test,” a bunch of screws and washers that had held the sunshield cover in place were found on the floor; they hadn’t been properly torqued. Another time, the sunshield caught on a snag and tore. Once, it unfolded, but not without a string wrapping around something it shouldn’t have.

The telescope got in another scrape when it was shipped to the Johnson Space Center in Houston, placed in the chamber where Apollo astronauts once practiced their moonwalks, and cryogenically cooled to simulate the conditions of outer space. While instrument builders like Sarah Kendrew were testing the cold hardware, Hurricane Harvey hit. The whole city catastrophically flooded, but the biggest worry for the Webb team was the liquid nitrogen supply. If it ran out, the telescope’s temperature would rise too quickly, damaging the instruments. The liquid nitrogen suppliers had to be urged to send trucks through the floodwaters as a matter of national importance.

Problems continued. Earlier this year, the transponders that will blip data back to Earth were found to be faulty and had to be repaired. “A delay causes its own cascade of issues,” Tremblay said — and more expense:“It costs $10 million a month just to keep James Webb on the clean room floor.” As the investment rose, so did the need for the mission to succeed. “If NASA was willing to accept more risk, JWST would have been half the cost,” Tremblay explained.

Finally, problems abated. Northrop Grumman engineers successfully unfolded the sunshield several times at its facility in Redondo Beach, California. But according to Menzel, even after the shimmery layers have spread smoothly open, “we aren’t as elated as you might think. Because we all know that sunshield will only be as good as the last time it’s folded.”

Webb’s final cost approaches $10 billion. That’s nearly 20 times its sticker price, but still a few billion less than an aircraft carrier. Following some final pandemic-related delays, late 2021 became its target launch date. In September, the telescope passed a final test in Redondo Beach:Gold ears pinned back and blanket stashed away, the whole observatory was turned on its side, then righted, then checked to see whether anything had changed. Then it was put back on its side into a shipping container and taken away. Garth Illingworth, who has been involved with the telescope in a range of capacities since the beginning, went to Redondo Beach to see it off. There it had stood, “tall and majestic,” he wrote in an email. “By the next day the clean room was even empty of any JWST-related support hardware.” The exact date of the shipping container’s departure from California was kept quiet — a precaution against piracy on the high seas — but in early October it voyaged through the Panama Canal to French Guiana, a region near the equator where the European Space Agency launches its plus-size Ariane 5 rocket to exploit the extra kick of Earth’s rotation.

The Webb team is busy rehearsing the routines they’ll execute 24/7 out of Baltimore during Webb’s monthlong journey to Lagrange point 2, followed by its five-month commissioning period. “Do I feel confident?” said Menzel. “Yes. I feel confident that we’ve done everything we possibly could. The risk is acceptably low. It’s as good as it’s going to be. And I’m pretty confident that we’re going to do fine.

“Could something go wrong? Hell, yeah.”

Reasonable Guesses

Once the Hubble got working, humanity soaked up the sight of the cosmos like near-sighted kids wearing glasses for the first time. We also learned there was stuff out there that we couldn’t see.

In 1998, two rival teams of astronomers used the Hubble along with other telescopes to observe supernovas in distant galaxies and ascertain that the expansion of the universe is accelerating. This exposed the existence of an accelerating agent infusing all of space, known as dark energy. There’s so much space that dark energy makes up 70% of everything. (Another 26% is dark matter, and 4% is luminous atoms and radiation.) 

Other puzzles soon turned up. The astronomer Wendy Freedman used Hubble to observe pulsating stars called cepheids. From these, in 2001 she and her team measured how fast the universe is currently expanding, achieving 10% accuracy, a huge improvement over previous measurements. In the years since Freedman’s measurement, the cosmic expansion rate has landed at the center of the biggest controversy in cosmology. The issue is that, based on the universe’s known ingredients and governing equations, theorists infer that space should currently be expanding more slowly than the measurements suggest. Its fast expansion may point to additional unknown ingredients in the cosmos beyond dark matter and dark energy. But Freedman, who is calm and authoritative, isn’t convinced yet that the measurements are right. She’ll lead a team that will use the Webb telescope to scrutinize cepheids and other stars more closely; they hope to measure the expansion rate precisely enough to tell for sure whether there’s an exotic fundamental ingredient afoot.

Meanwhile, the Hubble Deep Field photo told a rollicking story of galaxy evolution that dramatically expanded human knowledge of cosmic history. But it remains to Webb to read the crucial first couple of chapters of the story.

Marcia Rieke, a longtime professor at the University of Arizona regarded as one of the pioneers of infrared astronomy, has spent the last 20 years overseeing the design and construction of NIRCam (as in “near-infrared camera”), one of Webb’s four main instruments. She and her team at Arizona are planning to use more than half of their whopping 900 hours of guaranteed telescope time to do a new deep-field survey, one that will peer deeper into the past than ever before. Whereas Hubble could see the faint smudges of galaxies at redshift 10, corresponding to 500 million years after the Big Bang, Webb should be able to see those smudges very clearly and spot brand-new galaxies germinating farther away, perhaps as far back as 50 or 100 million years after the Big Bang.

Rieke and her team will do one better than the Hubble deep field. After using NIRCam to get an image of their dark patch of the sky, they’ll identify the galaxies in the patch that are farthest away and use NIRSpec, Webb’s near-infrared spectrograph, to take the galaxies’ spectra, from which Rieke and her colleagues can deduce their chemical compositions.

The spectrum will show which elements of the periodic table existed in each proto-galaxy, and how their elements evolved over time. The standard story is that early gas clouds, stars and galaxies mostly consisted of hydrogen, and supernovas and other explosive events gradually forged heavier elements. “But there are curious things,” Rieke said. “Close to the limit that Hubble can go to, there are quasars” — super-bright centers of galaxies powered by supermassive black holes — “and it looks like they have almost the same elements as the sun. Which is hard to believe. So there’s something that goes on early that we don’t have a good handle on.”

There are as many reasons for wanting to see the first stars and galaxies as there are astronomers, astrophysicists and cosmologists. For Risa Wechsler, a cosmologist at Stanford University, it’s a way to watch dark matter’s handiwork. She and her colleagues will use the proto-galaxies to deduce the distribution of sizes of dark matter halos that must have existed in the early universe, and when they formed. This can reveal whether dark matter is “cold,” that is, made of slow-moving particles, or “warm,” since particles that whizz around would have taken longer to huddle into halos. This temperature check would be a significant clue to dark matter’s nature.

Other researchers want to understand the first stars. Some think Webb will see so-called “Population III stars,” primordial beasts that are hypothesized to have been roughly 10,000 times heavier than our sun. Such stars would help solve another major mystery of galaxy formation:how galaxies’ centers ended up with supermassive black holes — physically small yet incredibly powerful gravitational sinkholes that can weigh billions of times the mass of our sun. Nobody knows how supermassive black holes grew so heavy, or when, or why their properties are correlated with properties of their host galaxies. One theory is that Population III stars seeded the holes, but there are a million other theories. Webb will look for signatures of the different scenarios.

Theorists have simulated many possibilities for how structures might have emerged in the young universe. But they can’t simply start with the cosmic microwave background and evolve that picture forward on the computer to see what happened. “A lot of the initial conditions are not well understood — things like the magnetic field, and how much turbulence there is in the gas,” said Peter Behroozi, a theorist colleague of Rieke’s at Arizona who simulates star and galaxy formation. It’s “a lot of work,” he said, to get from a large, ever-so-slightly dense spot in the cosmic microwave background to a tiny cloud of gas that will gravitationally contract and make a star.

“Oftentimes what people will do is, they’ll just skip that,” Behroozi said, and “start with a spherical cloud of gas. They don’t know what the distribution of [dark matter] clump sizes will be, so they guess. They don’t know about the magnetic field; they don’t know anything about the spin or turbulence of the gas, so they’ll fill all that in with guesses.”

The guesswork has accelerated recently as researchers race to get their predictions on record before Webb shows how star and galaxy formation really went down. Even conservative guesses can produce simulations with wildly different outcomes. “The main conclusion from my research,” Behroozi said, “is even if you try to make a reasonable guess, we still have no clue what James Webb will see.”

Bridge Planets

Natasha Batalha, Natalie Batalha’s second child, was 18 when she went to Florida for the Kepler launch. She remembers tagging along with her younger sister in the viewing room where the NASA science team had gathered. “During the launch, the anxiety that was in that space was chilling,” she said on a recent video call. After liftoff, the scene turned jubilant. She found it inspiring to see a team accomplish something so grand, but it was the possibility of discoveries being so close at hand “that was really what flipped on my brain to start thinking about exoplanets as a concept,” said Natasha Batalha, who is serious and precise, like her mother.

Space wasn’t a constant topic of discussion in the Batalha household. “I didn’t want to saturate their lives with science,” Natalie Batalha said. “I always wanted them to feel like they were number one.” But she and Celso did have “a secret hope” about Natasha. One evening in 1996 while Celso was teaching a night class, Natalie loaded up the half-asleep kids to drive them to a meadow so they look for the passing comet Hyakutake. Before they’d pulled out of the driveway, five-year-old Natasha said from the back seat:“What’s that?” She was pointing at the comet.

When Natasha was eight and living in Brazil, her mother asked her and her siblings to draw an astronomer. Natasha drew a white man, and Natalie asked her why. “This was crazy for me, the daughter of a Latinx scientist and a female scientist; I still had these stereotypes ingrained in my mind,” Natasha said. She suddenly felt empowered by the thought that she could belong in science.

A couple of years later she read Sally Ride’s autobiography. Just as her mother had been inspired by Ride, Natasha decided to become either an astronomer or an astronaut. She dreamed of being the first person on Mars. After the Kepler launch, as more and more exoplanets were discovered, she grew interested in the possibility of extraterrestrial life and how we might infer its presence on those planets through telescope observations of their skies. She got a dual Ph.D. in astronomy and astrobiology. Then, soon after Kepler ended and her mom left NASA Ames to become a professor at Santa Cruz, Natasha took a job at Ames studying exoplanet atmospheres.

Natasha Batalha is part of a growing research community whose ultimate goal is to detect “biosignature gases” — gases in a planet’s atmosphere that could only be there because of life. Every kind of molecule has characteristic wavelengths that it absorbs. So by collecting light from a star when a planet is and isn’t transiting in front of it, and checking which wavelengths of starlight grow dimmer when the planet is there, you can see which molecules are present in the planet’s sky.

Oxygen is an obvious candidate for a biosignature gas:It’s so reactive that it’s unlikely to be found unless the planet’s oxygen supply is continually replenished by, say, a biosphere doing photosynthesis. Photosynthesis is such a simple and efficient energy-capturing procedure that astrobiologists think it’s likely to evolve on any living planet, so oxygen is smart to look for.

But seeing oxygen by itself wouldn’t necessarily be convincing. Computer simulations show that under some conditions, oxygen can fill the skies of lifeless planets. “The challenge is there’s not one gas that’s going to be a biosignature gas,” said Hammel, the planetary scientist. “Methane on Earth is mostly produced by cows … but you look at Neptune, and you can see tons of methane there, and that’s not produced by cows.”

A better biosignature is a peculiar mix of gases. “It’s not going to be a single gas, it’s going to have to be a combination of gases in a configuration that tells us they are in a disequilibrium state,” said Hammel. “They can’t have formed that way naturally.”

Existing telescopes have already spotted molecular fingerprints in the skies of hot Jupiters, but these are lifeless planets. Detecting the weaker signals from rocky, possibly habitable planets’ skies will require JWST. Not only will the telescope have close to 100 times Hubble’s resolution, but it will see exoplanets far more clearly against the background of their host stars, since planets emit more infrared than optical light, while stars emit less. Importantly, Webb’s view of exoplanets won’t be obscured by clouds, which often prevent optical telescopes from seeing the densest, low-altitude layers of atmosphere. “Imagine being in a plane and looking down at an insane cloud deck, and you can’t see the surface at all,” Natasha Batalha said. “When you look at infrared light, you can all of a sudden see through the cloud deck.”

Exoplanets will be among the targets in JWST’s “Cycle 1” round of observations, which it will start tackling as soon as deployment and commissioning are complete — about six months after launch. The exoplanet community elected Natalie Batalha to lead transit spectroscopy studies of three gas giants as part of these early observations. Her team will also develop data pipelines and processing techniques for the community to copy.

Cycle 1 also includes observations for specific groups of astronomers. Last year, more than 2,000 groups submitted proposals to use JWST in the first cycle; a time allocation committee selected 266. Dozens of these programs will look at planets. When I video-chatted with Hammel, she screen-shared PowerPoint slides highlighting various exo-worlds of interest that Webb will turn its eye toward on behalf of different observers:Kepler 16b, which orbits two stars; the suspected “lava world” 55 Cancri e; and the seven rocky planets of the nearby Trappist-1 star system. (Hammel, who gets 100 hours of guaranteed observer time as a longtime member of the Webb science team, will browse our own solar system, including Jupiter’s red spot, the mysterious, far-flung objects of the Kuiper belt, and Hammel’s oft-overlooked favorites, Uranus and Neptune, which appeared as a pair of plush toys behind her on her office couch.) 

Out of all the exoplanets that JWST will look at in Cycle 1, Natasha Batalha reckons that the three Trappist planets that orbit in their star’s habitable zone probably have the best shot at featuring detectable biosignature gases. “The Trappist system is unique in that the star is very small, and so the relative feature size of the atmospheres doesn’t need to be big in order for you to be able to see it,” she said. Whether Webb has a realistic chance of spotting biosignature gases is debatable, however. “Often the controversy comes up over the detection of oxygen,” she said. Oxygen absorbs one infrared wavelength in Webb’s range of sensitivity, and so theoretically an oxygen-rich transiting planet could put a noticeable dip in its star’s spectrum at that wavelength. “However,” she said, the wavelength “is just at the edge where the detector loses sensitivity.” Other types and combinations of gases will be easier to detect but might be harder to definitively attribute to life.

Webb might just identify possibly living planets, which would then be examined more closely with future space telescopes. Astronomers are busy planning those now. NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope, slated to launch later this decade, is mostly designed to study dark energy; Earth-like exoplanets are the purview of a future telescope concept provisionally known as LuvEx, an ultraviolet, optical and IR telescope that (if funded by Congress) will launch in the mid-2040s.

What we will look at then depends on what we learn in the next few years.

One morning this spring, Natasha Batalha woke up to a text from fellow exoplanet astronomer Johanna Teske:“We got it!” The 266 selected Cycle 1 programs had just been announced, and a proposal led by Batalha, with Teske as her deputy, made the list.

Theirs will be the most extensive of all the exoplanet observing campaigns in the first cycle:a 142-hour survey of super-Earths and sub-Neptunes, the ubiquitous midsize “bridge” planets that our solar system lacks, and whose composition, habitability and formation history are unknown. Assuming that, over the next few months, everything unfolds as it should and the James Webb Space Telescope finds its focus, it will point at 11 of these planets on behalf of Natasha Batalha and her team. When she awoke to the good news, first she called Teske. Then she called her mom.

Corrections: June 3, 2022
The original version of this article featured an image of the M100 galaxy that was incorrectly identified as having been taken by the Hubble Space Telescope. That image has been replaced with the correct Hubble image. In addition, the original article also incorrectly stated that Hubble does not have a spectrograph. Hubble now has two spectrographs; both were added to the telescope after the Hubble Deep Field image was taken.