Segera setelah Presiden Biden mengumumkan gambar pertama dari Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) pada 11 Juli, Massimo Pascale dan timnya mulai beraksi.
Koordinasi atas Slack, Pascale, seorang astrofisikawan di University of California, Berkeley, dan 14 kolaborator membagi tugas. Gambar itu menunjukkan ribuan galaksi di bagian langit seukuran tusukan jarum, beberapa diperbesar saat cahayanya membelok di sekitar gugus pusat galaksi. Tim mulai bekerja meneliti gambar, berharap untuk menerbitkan makalah ilmiah JWST pertama. “Kami bekerja tanpa henti,” kata Pascale. “Itu seperti ruang pelarian.”
Tiga hari kemudian, hanya beberapa menit sebelum batas waktu harian di arxiv.org, server tempat para ilmuwan dapat mengunggah makalah versi awal, tim menyerahkan penelitian mereka. Mereka gagal menjadi yang pertama dengan 13 detik, "yang cukup lucu," kata Pascale.
Grafik pemenang, Guillaume Mahler di Universitas Durham di Inggris dan rekan, menganalisis gambar JWST pertama yang sama. “Hanya ada kesenangan semata karena dapat mengambil data yang luar biasa ini dan mempublikasikannya,” kata Mahler. “Jika kita bisa melakukannya dengan cepat, mengapa kita harus menunggu?”
“Persaingan sehat”, sebagaimana Mahler menyebutnya, menyoroti volume besar ilmu pengetahuan yang sudah datang dari JWST, beberapa hari setelah para ilmuwan mulai menerima data dari mega-teleskop penginderaan inframerah yang telah lama ditunggu-tunggu.
Fajar Waktu
Salah satu kemampuan JWST yang banyak dipuji adalah kekuatan untuk melihat kembali ke masa lalu ke alam semesta awal dan melihat beberapa galaksi dan bintang pertama. Teleskop yang diluncurkan pada Hari Natal 2021 dan sekarang berada 1.5 juta kilometer dari Bumi telah melihat galaksi paling jauh dan paling awal yang diketahui.
Dua tim menemukan galaksi ketika mereka secara terpisah menganalisis pengamatan JWST untuk survei GLASS, salah satu dari lebih dari 200 program sains dijadwalkan untuk tahun pertama teleskop di luar angkasa. Kedua tim, satu dipimpin by Rohan Naidu di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian di Massachusetts dan yang lain by Marco Castellano di Astronomical Observatory of Rome, mengidentifikasi dua galaksi yang sangat jauh dalam data: satu sangat jauh sehingga JWST mendeteksi cahaya yang dipancarkannya 400 juta tahun setelah Big Bang (berhubungan dengan galaksi tertua yang pernah dilihat oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble), dan yang lainnya, dijuluki GLASS-z13, terlihat seperti muncul 300 juta tahun setelah Big Bang. “Itu akan menjadi galaksi terjauh yang pernah ditemukan,” kata Castellano.
Kedua galaksi terlihat sangat kecil, mungkin 100 kali lebih kecil dari Bima Sakti, namun mereka menunjukkan tingkat pembentukan bintang yang mengejutkan dan sudah mengandung 1 miliar kali massa matahari kita - lebih dari yang diharapkan untuk galaksi muda ini. Salah satu galaksi muda bahkan menunjukkan bukti struktur seperti piringan. Lebih banyak penelitian akan dilakukan untuk memecahkan cahaya mereka untuk mendapatkan karakteristik mereka.
Program alam semesta awal lainnya juga telah memunculkan “galaksi yang sangat jauh,” kata Rebecca Larson, seorang astronom di University of Texas, Austin dan anggota survei Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Hanya beberapa minggu setelah survei, tim telah mengantongi beberapa galaksi dari 500 juta tahun pertama alam semesta, meskipun Larson dan rekan-rekannya belum merilis temuan pasti mereka. “Ini lebih baik dari yang saya bayangkan dan ini baru permulaan,” katanya.
Lebih banyak galaksi awal bersembunyi dalam citra gugusan galaksi yang disajikan oleh Presiden Biden dan dipelajari oleh Pascale dan Mahler. Ditelepon SMACS 0723, gugus itu sangat berat sehingga membelokkan cahaya dari objek yang lebih jauh, membuatnya terlihat. Pascale dan Mahler menemukan hingga 16 galaksi jarak jauh yang telah diperbesar dalam gambar; usia pasti mereka belum diketahui.
Teleskop melihat lebih dekat pada satu galaksi yang jauh dalam gambar, noda cahaya yang berasal dari 700 juta tahun setelah Big Bang. Dengan spektrografnya, JWST mendeteksi unsur-unsur berat, terutama oksigen, di galaksi. Sekarang para ilmuwan berharap teleskop akan menemukan ketidakhadiran unsur-unsur berat di galaksi-galaksi yang lebih awal – bukti bahwa galaksi-galaksi ini hanya berisi Populasi III bintang, bintang pertama yang dihipotesiskan di alam semesta, dianggap sangat besar dan seluruhnya terbuat dari hidrogen dan helium. (Hanya ketika bintang-bintang itu meledak, mereka menempa unsur-unsur yang lebih berat seperti oksigen dan memuntahkannya ke kosmos.)
"Kami sedang mencari galaksi di mana kami tidak melihat unsur-unsur berat," kata Andy Bunker, astrofisikawan di Universitas Oxford. “Itu mungkin senjata api untuk bintang generasi pertama yang terbentuk dari hidrogen dan helium primordial. Secara teoritis mereka harus ada. Itu tergantung apakah mereka cukup terang.”
Struktur Galaksi
Bagi para ilmuwan yang ingin memahami struktur galaksi dan bagaimana bintang terbentuk di dalamnya, JWST telah memberikan data yang berdampak.
Satu program pengamatan, dipimpin oleh Janice Lee di NOIRLab National Science Foundation di Arizona, mencari situs muda pembentukan bintang di galaksi. Atas nama tim Lee, JWST mengamati galaksi yang berjarak 24 juta tahun cahaya yang disebut NGC 7496, yang daerah pembentuk bintangnya yang masih muda sampai sekarang diselimuti kegelapan; Instrumen Hubble tidak mampu menembus debu tebal dan gas yang mengelilingi wilayah ini. JWST, bagaimanapun, dapat melihat cahaya inframerah yang memantul dari debu, memungkinkan teleskop untuk menyelidiki saat-saat ketika bintang-bintang dinyalakan dan fusi nuklir dinyalakan di intinya. “Debunya benar-benar menyala,” kata Lee.
Apa yang paling luar biasa, katanya, adalah bahwa NGC 7496 adalah galaksi normal, “bukan galaksi poster-anak.” Namun di bawah pengawasan JWST, itu tiba-tiba menjadi hidup dan mengungkapkan saluran di mana bintang-bintang terbentuk. "Ini hanya fenomenal," katanya.
John Barentine, seorang astronom di perusahaan konservasi langit gelap Dark Sky Consulting di Arizona, sementara itu, membuat penemuan yang lebih kebetulan di salah satu gambar pertama JWST. Gambar teleskop Nebula Cincin Selatan, 2,500 tahun cahaya dari Bumi, menunjukkan kejelasan yang luar biasa. Di samping, sebuah galaksi yang menarik dilihat dari tepi (titik pandang yang unik untuk mempelajari tonjolan pusat galaksi), yang sebelumnya salah diidentifikasi sebagai bagian dari nebula itu sendiri, terlihat.
“Kami memiliki mesin yang sangat sensitif ini yang akan secara kebetulan mengungkapkan hal-hal yang bahkan tidak kami ketahui sedang kami cari,” kata Barentine. "Di hampir setiap gambar yang diambil Webb, ada baiknya melihat-lihat di latar belakang."
Mata pada Bintang dan Planet
Target yang lebih kecil juga berada di garis bidik JWST, termasuk planet-planet tata surya kita sendiri. Jupiter muncul dengan cara yang luar biasa sebagai bagian dari kumpulan gambar pertama, ditangkap dalam eksposur yang berlangsung hanya 75 detik.
Para astronom tahu bahwa atmosfer atas Jupiter ratusan derajat lebih panas daripada atmosfer bawah, tetapi mereka tidak yakin mengapa. Dengan mendeteksi cahaya inframerah, JWST dapat melihat atmosfer bagian atas yang panas bersinar; itu muncul sebagai cincin merah di sekitar planet ini. "Kami memiliki lapisan ini beberapa ratus kilometer di atas dek awan, dan itu bersinar karena panas," kata Henrik Melin, seorang ilmuwan planet di University of Leicester. “Kami belum pernah melihatnya seperti ini sebelumnya dalam skala global. Itu hal yang luar biasa untuk dilihat.”
Acara Melin berencana untuk menggunakan JWST dalam beberapa minggu mendatang untuk mempelajari kekuatan pendorong di balik pemanasan atmosfer ini.
Bersembunyi di gambar Jupiter JWST adalah bulan vulkanik Io berinteraksi dengan aurora Jupiter - menciptakan benjolan kecil di aurora rendah di langit planet. Gambar tersebut mengungkapkan "materi yang berasal dari Io mengalir di garis medan magnet," kata Melin. Efeknya telah terlihat sebelumnya, tapi itu dengan mudah dipilih oleh JWST dengan pandangan sekilas ke planet ini.
JWST juga menyelidiki planet di sistem bintang lain. Teleskop telah mengintip sistem TRAPPIST-1 yang terkenal, bintang katai merah dengan tujuh dunia seukuran Bumi (beberapa berpotensi layak huni), meskipun datanya masih dianalisis. Pengamatan awal telah dirilis dari planet yang kurang ramah, "Jupiter panas" yang disebut WASP-96 b, dalam orbit ketat 3.4 hari di sekitar bintangnya.
JWST menemukan uap air di atmosfer planet, membenarkan bukti adanya air dilaporkan beberapa hari sebelumnya by Chima McGruder dari Harvard-Smithsonian Center dan rekan-rekannya, yang menggunakan teleskop berbasis darat. Tapi JWST bisa melangkah lebih jauh; dengan mengamati rasio WASP-96 b antara karbon dan oksigen, mungkin dapat memecahkan misteri yang membingungkan tentang Jupiter panas: bagaimana mereka mencapai orbit yang begitu dekat di sekitar bintangnya. Lebih banyak oksigen akan menunjukkan bahwa raksasa gas awalnya terbentuk jauh dari bintang di mana air dapat mengembun, sementara rasio karbon yang lebih tinggi akan menunjukkan bahwa itu selalu dekat.
Sementara itu, JWST mungkin telah melihat cahaya sementara di langit - peristiwa berumur pendek yang dikenal sebagai sementara - yang awalnya tidak dirancang untuk dilakukan. Astronom Mike Engesser dan rekan-rekannya di Space Telescope Science Institute di Baltimore, Maryland (pusat operasi JWST), melihat objek terang yang tidak terlihat dalam gambar Hubble di wilayah yang sama. Mereka mengira itu adalah supernova, atau bintang yang meledak, sekitar 3 miliar tahun cahaya jauhnya — bukti bahwa teleskop dapat menemukan peristiwa ini.
JWST juga harus mampu menemukan supernova yang jauh lebih jauh, yang akan memberikannya cara lain untuk berfungsi sebagai penyelidikan alam semesta awal. Mungkin juga menemukan bintang-bintang terkoyak oleh lubang hitam supermasif yang berada di pusat galaksi, sesuatu yang belum pernah dilihat oleh teleskop sebelumnya. “Untuk pertama kalinya kita bisa mengintip ke dalam wilayah yang sangat dalam dan gelap ini,” kata Ori Rubah, seorang astronom di Space Telescope Science Institute yang memimpin tim mempelajari transien.
Transien, seperti fenomena astronomi lainnya, ditetapkan untuk didefinisikan ulang. Setelah beberapa dekade perencanaan dan konstruksi, JWST telah mencapai langit berjalan. Masalahnya sekarang adalah mengimbangi rentetan sains yang terus-menerus turun dari mesin yang begitu kompleks namun sempurna sehingga hampir menentang keyakinan bahwa itu dibangun oleh otak manusia. "Ini bekerja, dan itu gila," kata Larson.
