Kan James Webb se samma objekt två gånger?

Om James Webb observerar åt ett håll och ser så långt tillbaka i tiden som möjligt och därefter svänger 180 grader och observerar igen på samma sätt. Kan James Webb se samma objekt båda gångerna?

Frågan ställdes 2022-01-11 av Sven, 75 år.

Kort svar: Nej, inte om våra nuvarande modeller för hur universum fungerar är korrekta.

Det långa svaret är att det i princip finns kosmologiska modeller där ljuset från en avlägsen ljuskälla skulle kunna nå oss från helt olika riktningar på himlen.

Det första scenariot där detta kan hända är i ett universum där rymden (eller rummet) i sig är krökt, och har vad kosmologer kallar sluten geometri. Det är generellt svårt för människor att visualisera vad som menas med krökning av ett tredimensionellt rum, så det underlättar lite att för stunden föreställa sig att vi är tvådimensionella, helt platta varelser som lever i ytan av en sfär. I detta tänkta universum finns det ingenting inuti sfären och heller inget utanför – endast ytskiktet av klotet existerar. Om vi i detta tvådimensionella, krökta universum färdas tillräckligt långt i en och samma riktning skulle vi kunna runda hela klotet och komma tillbaka till den plats där vi startade. Ljuset från en likaledes tvådimensionell ljuskälla skulle också kunna nå oss längs helt olika riktningar – vi skulle kunna se den framför oss, vända oss om och se ljuset komma emot oss rakt bakifrån också. Såvida ljuskällan inte råkar befinna sig precis på andra sidan av vårt klotuniversum skulle dock vårt avstånd till ljuskällan vara olika längs de två synlinjerna, och den skulle inte framstå som lika ljusstark i båda riktningarna. Om klotet vore mycket stort skulle den tid det tog för ljuset att nå fram till oss också skilja sig åt i de två fallen, och vi skulle därför se ljuskällan så som den såg ut vid olika kosmiska epoker. Astronomiska objekt förändras med tiden, så det vore inte nödvändigtvis helt enkelt att inse det är samma ljuskälla vi ser framför och bakom oss. Till problemet hör även att om universum inte funnits tillräckligt länge kanske ljuset längs den längre färdvägen inte ens hunnit fram till oss sedan ljuskällan tändes. Låt oss nu återgå till vårt välkända tredimensionella universum… Skulle något liknande kunna hända här och dublettbilder av galaxer kunna nå oss från helt skilda delar av himlen? Vi är i dagsläget inte helt säkra på om universum har någon storskalig krökning alls (de flesta mätningar är i nuläget konsistenta med att det inte har det), men även om rummet skulle ha sluten geometri så verkar det ändå inte möjligt för sådana dublettbilder att uppstå. Det universum vi lever i har vare sig funnits oändligt länge (vi tror att det uppstod för ca 13,8 miljarder år sedan) och är heller inte statiskt utan expanderar hela tiden. Genom att kombinera de s.k. Friedmann-ekvationer som vi tror beskriver universums dynamik med mätningar av hur mycket mörk materia och mörk energi i nuläget bidrar till universums energitäthet kan man räkna sig fram till att det faktiskt är omöjligt för ljuset från avlägsna galaxer (eller andra astronomiska objekt) att hinna runt och skapa dublettbilder på den motsatta delen av himlen, åtminstone under den epok av universums historia vi nu lever i.

Ett annat scenario som man kan leka med är möjligheten att universum har en komplicerad topologi. Detta innebär enkelt uttryckt att delar av universum kan vara sammankopplade på ett lite oväntat sätt. Om vi föreställer oss ett förenklat universum i form av en låda, och tänker oss att två av lådans sidor fungerar som en sorts portaler till varandra så får vi en hygglig bild av vad det handlar om – om jag passerar ut genom ena sidan dyker jag genast upp vid den motstående. Detta är en effekt som utnyttjats i både två och tre dimensioner i otaliga datorspel under åren. Tänker jag mig nu att det tänds en ljuskälla inne i lådan skulle ljuset kunna nå en observatör både längs en direkt synlinje inne i lådan, men även genom att passera portalväggen och dyka upp från motsatt håll. Om alla sidor i lådan fungerar på detta sätt och ljuskällan utsänder ljus i alla riktningar får man ett sorts kalejdoskopiskt universum där en och samma ljuskälla dyker upp på flera olika ställen runt observatören. Vi kan idag inte säga om det universum vi lever i har en komplicerad topologi eller inte, men vi kan åtminstone sätta vissa gränser för hur liten lådan (eller vilken form universum nu har) med de sammankopplade sidorna kan tänkas vara. Genom att studera den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, som utsändes före ljuset från även de allra tidigaste stjärnor och galaxer som James Webb-teleskopet kan tänkas upptäcka, har man redan uteslutit de topologier som skulle göra det möjligt att upptäcka en och samma ljuskälla på helt olika delar av himlen.

Liten fotnot: Det finns en annan effekt som faktiskt ger oss mångdubbla bilder av ett och samma astronomiska objekt, men dessa bilder dyker då upp relativt nära varandra på himlen, som mest någon bågminut ifrån varandra (en bågminut är sextio gånger mindre än en grad). Stora massansamlingar såsom galaxer och galaxhopar kan lokalt kröka rummet så att ljuset från bakomliggande ljuskällor både kan förstärkas och nå oss längs multipla synlinjer. Sådana s.k. gravitationslinseffekter är välkända inom astronomin och ger oss bland annat en möjlighet att studera avlägsna, ”linsade” galaxer som annars vore för ljussvaga för oss att upptäcka. James Webb-teleskopet kommer definitivt att studera många fall av detta slag.

Frågan besvarades av Erik Zackrisson, universitetslektor vid avdelningen för astronomi och rymdfysik, institutionen för fysik och astronomi.