Zodra president Biden onthulde de eerste afbeelding van de James Webb Space Telescope (JWST) op 11 juli, Massimo Pascale en zijn team kwamen in actie.
Coördinerend over Slack verdeelden Pascale, een astrofysicus aan de University of California, Berkeley, en 14 medewerkers de taken. De afbeelding toonde duizenden sterrenstelsels in een speldenprikachtig deel van de lucht, sommige uitvergroot terwijl hun licht rond een centrale cluster van sterrenstelsels boog. Het team ging aan de slag met het onderzoeken van de afbeelding, in de hoop het allereerste wetenschappelijke artikel van JWST te publiceren. “We werkten non-stop”, zegt Pascale. “Het leek wel een escaperoom.”
Drie dagen later, slechts enkele minuten voor de dagelijkse deadline op arxiv.org, de server waar wetenschappers vroege versies van papers kunnen uploaden, heeft het team hebben hun onderzoek ingediend. Ze misten de eerste plaats met 13 seconden, "wat best grappig was", zei Pascale.
De overwinnaars, Guillaume Mahler aan de Durham University in het Verenigd Koninkrijk en collega's, analyseerden diezelfde eerste JWST-afbeelding. "Het was gewoon een puur genoegen om deze verbazingwekkende gegevens te kunnen gebruiken en te publiceren," zei Mahler. "Als we het snel kunnen doen, waarom zouden we dan wachten?"
De 'gezonde concurrentie', zoals Mahler het noemt, benadrukt de enorme hoeveelheid wetenschap die al van JWST komt, dagen nadat wetenschappers gegevens begonnen te ontvangen van de langverwachte, infrarood-gevoelige megatelescoop.
De dageraad van de tijd
Een van de veelgeprezen vaardigheden van JWST is de kracht om terug te kijken in de tijd naar het vroege heelal en enkele van de eerste sterrenstelsels en sterren te zien. De telescoop - die op eerste kerstdag 2021 werd gelanceerd en nu 1.5 miljoen kilometer van de aarde verwijderd is - heeft al het verst verwijderde, vroegste sterrenstelsel ontdekt dat bekend is.
Twee teams vonden de melkweg toen ze afzonderlijk JWST-waarnemingen analyseerden voor de GLASS-enquête, een van de meer dan 200 wetenschappelijke programma's gepland voor het eerste jaar van de telescoop in de ruimte. Beide teams, een led by Rohan Naidu aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts en de andere by Marco Castellano bij het Astronomisch Observatorium van Rome, twee bijzonder afgelegen sterrenstelsels in de gegevens geïdentificeerd: één zo ver weg dat JWST het licht detecteert dat het 400 miljoen jaar na de oerknal uitzond (een gelijkspel met het oudste sterrenstelsel dat ooit door de Hubble-ruimtetelescoop is gezien), en de andere, genaamd GLASS-z13, gezien zoals het 300 miljoen jaar na de oerknal leek. "Het zou het verste sterrenstelsel zijn dat ooit is gevonden", zei Castellano.
Beide sterrenstelsels zien er extreem klein uit, misschien wel 100 keer kleiner dan de Melkweg, maar ze vertonen verrassende stervormingssnelheden en bevatten al 1 miljard keer de massa van onze zon - meer dan verwacht voor sterrenstelsels van deze jonge leeftijd. Een van de jonge sterrenstelsels vertoont zelfs sporen van een schijfachtige structuur. Er zullen meer studies worden gedaan om hun licht uit elkaar te halen om hun kenmerken te achterhalen.
Een ander programma voor het vroege heelal heeft ook "ongelooflijk verre sterrenstelsels" opgedoken, zei Rebecca Larson, een astronoom aan de Universiteit van Texas, Austin en lid van de Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS)-enquête. Slechts enkele weken na het onderzoek heeft het team een handvol sterrenstelsels verzameld uit de eerste 500 miljoen jaar van het universum, hoewel Larson en haar collega's hun exacte bevindingen nog niet hebben vrijgegeven. "Het is beter dan ik me had voorgesteld en het is nog maar het begin", zei ze.
Meer vroege sterrenstelsels verbergen zich in het beeld van de cluster van sterrenstelsels, gepresenteerd door president Biden en bestudeerd door Pascale en Mahler. Genaamd SMCS 0723, is het cluster zo zwaar dat het het licht van verder weg gelegen objecten buigt, waardoor ze in beeld komen. Pascale en Mahler vonden tot 16 afgelegen sterrenstelsels die in de afbeelding zijn uitvergroot; hun exacte leeftijden zijn nog niet bekend.
De telescoop heeft een verre melkweg in de afbeelding van dichterbij bekeken, een lichtvlek die dateert van 700 miljoen jaar na de oerknal. Met zijn spectrograaf detecteerde JWST zware elementen, met name zuurstof, in de melkweg. Nu hopen wetenschappers dat de telescoop de afwezigheid van zware elementen in zelfs eerdere sterrenstelsels zal vinden - bewijs dat deze sterrenstelsels alleen Populatie III sterren, de veronderstelde eerste sterren in het universum, waarvan gedacht werd dat ze monsterlijk enorm waren en volledig gemaakt van waterstof en helium. (Pas toen die sterren explodeerden, smeedden ze zwaardere elementen zoals zuurstof en spuwden ze in de kosmos.)
"We zijn op zoek naar sterrenstelsels waar we geen zware elementen zien", zegt Andy Bunker, een astrofysicus aan de Universiteit van Oxford. "Dat zou een rokend pistool kunnen zijn voor de eerste generatie sterren gevormd uit oerwaterstof en helium. Theoretisch zouden ze moeten bestaan. Het hangt ervan af of ze helder genoeg zijn.”
Galactische structuur
Voor wetenschappers die de structuur van sterrenstelsels willen begrijpen en hoe sterren zich daarin vormen, heeft JWST al belangrijke gegevens verstrekt.
Eén observatieprogramma, geleid door Janice Lee in het NOIRLab van de National Science Foundation in Arizona, op zoek naar jonge stervormingslocaties in sterrenstelsels. Namens Lee's team observeerde JWST een sterrenstelsel op 24 miljoen lichtjaar afstand, NGC 7496 genaamd, waarvan de jonge stervormingsgebieden tot nu toe in duisternis zijn gehuld; De instrumenten van Hubble waren niet in staat om door het dikke stof en gas te dringen dat deze gebieden omringt. JWST kan echter infrarood licht zien dat van het stof afkaatst, waardoor de telescoop dicht bij de momenten kan tasten waarop de sterren aangingen en kernfusie in hun kernen ontbrandde. "Het stof licht echt op", zei Lee.
Wat het meest opmerkelijk is, zei ze, is dat NGC 7496 een normaal sterrenstelsel is, "geen sterrenstelsel voor kinderen". Maar onder het toeziend oog van JWST komt het plotseling tot leven en onthult het kanalen waar sterren worden gevormd. "Het is gewoon fenomenaal," zei ze.
John Barentine, een astronoom bij het dark-sky-conservatiebedrijf Dark Sky Consulting in Arizona, deed ondertussen een meer toevallige ontdekking in een van de eerste afbeeldingen van JWST. De telescoopfoto van de Zuidelijke Ringnevel, 2,500 lichtjaar van de aarde verwijderd, toonde opmerkelijke helderheid. Aan de zijkant kwam een intrigerend sterrenstelsel in beeld, van opzij bekeken (een uniek uitkijkpunt voor het bestuderen van de centrale uitstulping van het sterrenstelsel), voorheen verkeerd geïdentificeerd als onderdeel van de nevel zelf.
"We hebben deze buitengewoon gevoelige machine die op een toevallige manier dingen zal onthullen waarvan we niet eens wisten dat we ze zochten," zei Barentine. "Bij bijna elke foto die Webb maakt, is het de moeite waard om op de achtergrond rond te neuzen."
Een oog voor sterren en planeten
Kleinere doelen zijn ook in het vizier van JWST, inclusief de planeten van ons eigen zonnestelsel. Jupiter verscheen op prachtige wijze als onderdeel van de eerste reeks foto's, vastgelegd met een belichtingstijd van slechts 75 seconden.
Astronomen weten dat de bovenste atmosfeer van Jupiter honderden graden heter is dan de lagere atmosfeer, maar ze weten niet precies waarom. Door infrarood licht te detecteren, kon JWST de verwarmde bovenste atmosfeer zien schijnen; het verschijnt als een rode ring rond de planeet. "We hebben deze laag een paar honderd kilometer boven de wolkendekken, en hij gloeit omdat hij heet is", zegt Henrik Melin, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Leicester. “Zo hebben we het op wereldschaal nog nooit eerder gezien. Dat is bijzonder om te zien.”
Melins programma is van plan om de komende weken met JWST de drijvende kracht achter deze atmosferische verwarming te onderzoeken.
In JWST's afbeelding van Jupiter schuilt de vulkanische maan Io die in wisselwerking staat met de aurora van Jupiter, waardoor een kleine bobbel ontstaat in de aurora laag aan de hemel van de planeet. Het beeld laat zien dat “materiaal afkomstig van Io langs de magnetische veldlijnen stroomt”, zei Melin. Het effect is al eerder gezien, maar het werd gemakkelijk uitgezocht door JWST met nauwelijks een blik op de planeet.
JWST onderzoekt ook planeten in andere sterrenstelsels. De telescoop heeft al een kijkje genomen in het beroemde TRAPPIST-1-systeem, een rode dwergster met zeven werelden ter grootte van de aarde (sommige potentieel bewoonbaar), hoewel de gegevens nog worden geanalyseerd. Er zijn vroege waarnemingen vrijgegeven van een minder gastvrije planeet, een 'hete Jupiter' genaamd WASP-96 b, in een strakke baan van 3.4 dagen rond zijn ster.
JWST vond waterdamp in de atmosfeer van de planeet, wat bewijs van water bevestigt dagen eerder gemeld by Chima McGruder van het Harvard-Smithsonian Center en collega's, die een telescoop op de grond gebruikten. Maar JWST kan verder gaan; door de verhouding van koolstof tot zuurstof van WASP-96 b te observeren, kan het misschien een verwarrend mysterie over hete Jupiters oplossen: hoe ze zo'n korte baan rond hun sterren bereiken. Meer zuurstof zou suggereren dat de gasreus aanvankelijk ver van de ster is gevormd waar water zou kunnen condenseren, terwijl een hogere koolstofverhouding zou suggereren dat hij altijd dichtbij de ster is geweest.
Ondertussen heeft JWST mogelijk een tijdelijk licht in de lucht gezien - een kortstondige gebeurtenis die bekend staat als een voorbijgaand verschijnsel - waarvoor het aanvankelijk niet was ontworpen. De astronoom Mike Engesser en collega's van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland (het operatiecentrum voor JWST), merkten een helder object op dat niet zichtbaar is in Hubble-afbeeldingen van dezelfde regio. Ze denken dat het een supernova of exploderende ster is, op zo'n 3 miljard lichtjaar afstand - het bewijs dat de telescoop deze gebeurtenissen kan vinden.
JWST zou ook in staat moeten zijn om veel verder weg gelegen supernova's te vinden, waardoor het op een andere manier kan dienen als een sonde van het vroege universum. Het kan ook zien dat sterren uit elkaar worden gescheurd door de superzware zwarte gaten die zich in de centra van sterrenstelsels bevinden, iets wat geen enkele eerdere telescoop heeft gezien. "Voor het eerst kunnen we in deze zeer diepe, donkere gebieden turen," zei Ori Vos, een astronoom bij het Space Telescope Science Institute die het team leidt dat transiënten bestudeert.
Transiënten zullen, net als andere astronomische verschijnselen, opnieuw worden gedefinieerd. Na tientallen jaren van planning en constructie is JWST in de lucht gevlogen. Het probleem is nu om gelijke tred te houden met het constante spervuur van de wetenschap dat naar beneden komt uit een machine die zo complex en toch foutloos is dat het bijna niet te geloven is dat het door menselijke hersenen is gebouwd. "Het werkt, en het is krankzinnig", zei Larson.
