To był aktywny ostatni dzień w Pierwsze wyniki nauki z JWST konferencji w Space Telescope Science Institute w Baltimore w USA, gdzie dyskusja zeszła na niesamowite obserwacje kwazarów powyżej przesunięcia ku czerwieni 6, ukazujące ich stan sprzed ponad 12.7 miliarda lat.
Jako zwarte jądra galaktyk z niezwykle aktywnymi supermasywnymi czarnymi dziurami wiemy, że kwazary mogą świecić wielokrotnie jaśniej niż ich galaktyka macierzysta. W swojej prezentacji, Johna Silvermana z Uniwersytetu Tokijskiego opisał, w jaki sposób dane z JWST CEERS (nauka o wczesnym wydaniu kosmicznej ewolucji) przegląd śledzi tuzin kwazarów o wysokim przesunięciu ku czerwieni, pierwotnie zidentyfikowanych przez Teleskop Subaru na Mauna Kea.
Przez całą konferencję astronomowie żartowali, że wysokie przesunięcie ku czerwieni nie oznacza już tego, co kiedyś. Zanim pojawił się JWST, wysokie przesunięcie ku czerwieni dla Kosmicznego Teleskopu Hubble'a oznaczało rozdzielenie macierzystych galaktyk kwazarów do przesunięcia ku czerwieni około 2, czyli mniej więcej 10 miliardów lat temu. Teraz JWST rozwiązuje struktury galaktyk macierzystych wokół kwazarów przy przesunięciu ku czerwieni 6 (prawie 12.7 miliarda lat temu).
Wiele wydarzyło się we Wszechświecie między przesunięciami ku czerwieni 2 a 6, a astronomowie chcą sprawdzić, czy stosunek masy supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki do masy jej galaktyki macierzystej (a dokładniej masy gwiazdy zgrubienie galaktyki) nadal utrzymuje się na najwyższych przesunięciach ku czerwieni. Odpowiedź powie nam o warunkach, w jakich powstały supermasywne czarne dziury i galaktyki oraz o tym, jak wpływały one na wzajemny wzrost.
Stosunek masy między supermasywną czarną dziurą a zgrubieniem otaczającej ją galaktyki wynosi 1:200, przy czym uważa się, że ta wartość jest związana ze sprzężeniem zwrotnym z czarnej dziury w postaci wypływów promieniowania wypluwającego podczas akrecji materii. Zależność została po raz pierwszy określona ilościowo w obserwacjach Kosmicznym Teleskopem Hubble'a w latach 1990., a Silverman nazwał ją „fundamentalną”.
Okazuje się, że galaktyki o wysokim przesunięciu ku czerwieni rzeczywiście również trzymają się tej zależności. Silverman powiedział, że astronomowie celowali w przesunięcie ku czerwieni 6, ponieważ to właśnie przy tym przesunięciu symulacje galaktyk różnią się najbardziej. Astronomowie naprawdę potrzebują twardych i szybkich danych do wprowadzenia do symulacji, a JWST chętnie się do tego zobowiązał.
Typowa galaktyka, w której znajduje się kwazar o takim przesunięciu ku czerwieni, jest zaledwie o 8% jaśniejsza niż kwazar. Jednak w rzeczywistości możliwe jest usunięcie blasku kwazara z obrazu – ponieważ sam kwazar wydaje się przypominać punkt, objawia się jako kolce dyfrakcyjne, które można usunąć za pomocą funkcji rozproszenia punktu.
JWST stwierdza, że galaktyki są dość zwarte i mają kształt dysku, z zaskakująco dobrze zdefiniowanymi ramionami spiralnymi i poprzeczkami centralnymi zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. W jej rozmowie Magdalena Marszałekz NRC Herzberg w Victorii w Kanadzie omówił pierwsze wyniki kwazara o wysokim przesunięciu ku czerwieni z JWST Spektrometr bliskiej podczerwieni (NIRSpec), stwierdzając, że ich czarne dziury ważą miliardy mas Słońca, a masa ich galaktyk macierzystych wynosi około setek miliardów, a zatem wydaje się, że utrzymuje się stosunek masy obserwowany przy niższym przesunięciu ku czerwieni.
To, jak dokładnie czarne dziury stały się tak masywne na tak wczesnym etapie Wszechświata, wciąż jest przedmiotem dyskusji, ale miejmy nadzieję, że JWST zacznie dostarczać odpowiedzi. Aby dać wskazówkę co do mocy teleskopu, rozdzielczość JWST jest tak dobra, że niektóre zdjęcia kwazara pokazują galaktyki towarzyszące łączące się lub oddziałujące z główną galaktyką, z ogonami pływowymi i wybuchami formowania się gwiazd w tempie 30-50 mas Słońca na rok.
Egzoplanety i dyski protoplanetarne
Wcześniej tego dnia w centrum uwagi znalazły się egzoplanety i dyski protoplanetarne. Oliviera Berné z Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie w Tuluzie ujawnił rozwiązanie problemu powstawania planet w bogatych w promieniowanie ultrafioletowe środowiskach dużych gromad gwiazd.
Te gromady gwiazd wytwarzają sporo gorących, młodych, masywnych gwiazd, które emitują dużo promieniowania ultrafioletowego, które w zasadzie powinno powodować erozję dysków protoplanetarnych wokół sąsiednich gwiazd o mniejszej masie. Berné poinformował, jak astronomowie JWST, współpracując z kolegami z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, zaobserwowali chemię tych wrażliwych dysków i odkryli otaczającą je ciepłą otoczkę gazu molekularnego.
Koperty są bogate w wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które mają silną sygnaturę widmową w podczerwieni, która wyróżnia się na JWST. Mają również wysoką nieprzezroczystość w ultrafiolecie, więc są w stanie zablokować wiele szkodliwego ultrafioletu spoza dysku, chroniąc wczesne etapy formowania się planet.
Wewnątrz dysku formującego planetę
Jednym z dysków protoplanetarnych, w którym proces formowania się planet posunął się dość daleko, jest PDS 70. Pojawił się w wiadomościach w 2018 i 2021 r., kiedy astronomowie korzystający z ALMA byli w stanie sfotografować pierścienie w dysku PDS 70, które wydają się być wyrzeźbione przez dwie młode planety.
Giulii Perotti z Max Planck Institute for Astronomy w Heidelbergu ujawnił, w jaki sposób JWST może teraz mierzyć chemię w wewnętrznym obszarze dysku protoplanetarnego PDS 70. Wydaje się być wzbogacony małymi ziarnami pyłu, które zostały poddane obróbce termicznej, prawdopodobnie przez wybuchy młodej gwiazdy. Tymczasem wewnętrzny dysk jest wypaczony, prawdopodobnie pod wpływem innej, niewidocznej planety. Pod względem chemicznym w dysku wykryto również wodę i tlen. PDS 70 nadal jest naszym najlepiej zbadanym przykładem planet tworzących się w dysku gazu i pyłu.
Atmosfery WASP
Tymczasem Kevina Stevensona z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory poinformował delegatów o obserwacjach JWST atmosfer starszych egzoplanet. Najpierw opowiedział o obserwacjach teleskopu kosmicznego WASP-39b – „gorącego Jowisza” oddalonego o 700 lat świetlnych.
Obserwacje te zostały wykonane, gdy WASP-39b przechodził przez swoją gwiazdę, a część światła gwiazdy była absorbowana przez atomy i cząsteczki w atmosferze planety podczas jej przechodzenia. Za pomocą tej „spektroskopii transmisyjnej” JWST wykrył tlenek węgla, potas, sód i wodę w atmosferze WASP-39b, a także dwutlenek siarki, który jest produktem fotochemii.
Po raz pierwszy na jakiejkolwiek egzoplanecie wykryto procesy fotochemiczne, w których promieniowanie z gwiazdy zmienia cząsteczki. Brak silnej linii metanu przy 3.3 mikronach jest również dowodem na to, że fotochemia przekształca metan w inne cząsteczki.
Następnie Stevenson przeszedł do podglądu wyników z innego gorącego Jowisza – planety WASP-43b, która znajduje się 284 lata świetlne stąd. Kiedy poprzednik JWST, Kosmiczny Teleskop Spitzera, obserwował WASP-43b, nie był w stanie wykryć żadnej emisji termicznej z nocnej strony planety, co oznacza, że musi być zimno, poza granicami możliwości wykrycia Spitzera.
Stevenson ujawnił, że JWST wykrył teraz tę słabą emisję termiczną i – chociaż nie mógł podać szczegółów – opisał, w jaki sposób dokonanie tego pomiaru i zmierzenie temperatury po stronie nocnej pozwoliłoby naukowcom lepiej ograniczyć właściwości zsynchronizowanej pływowo- atmosfera planety.
Kuszący TRAPPIST-1
Słyszeliśmy również o nowych odkryciach z układu planetarnego TRAPPIST-1, który składa się z siedmiu planet krążących wokół czerwonego karła oddalonego o 40 lat świetlnych. Björn Benneke z Uniwersytetu w Montrealu ujawnił, że JWST przeprowadził rekonesans atmosfery niektórych światów TRAPPIST-1.
Chociaż nie był jeszcze w stanie powiedzieć nic o tym, co JWST pozytywnie wykrył w ich atmosferach, ujawnił, że siódma planeta, TRAPPIST-1g, prawdopodobnie nie ma gęstej atmosfery bogatej w wodór. Pozornie wykluczałoby to bycie tzw „Hycejski” świat, składający się z oceanu utrzymywanego w cieple przez grubą warstwę wodoru. Ponieważ planeta „g” znajduje się na bardzo zewnętrznej krawędzi strefy nadającej się do zamieszkania na TRAPPIST-1, może to oznaczać, że bez gęstej atmosfery izolującej TRAPPIST-1g może być zbyt zimna, aby mogło na niej powstać życie, jakie znamy.
Trzydniowa konferencja była ekscytującą zapowiedzią tego, jak JWST zaczyna przekształcać badania astronomiczne i pozwala nam wykrywać rzeczy, które do tej pory były całkowicie poza zasięgiem astronomów. Czasami prezentacje konferencyjne były frustrująco lekkie, jeśli chodzi o szczegóły – wielu powiedziało, że będą mieli więcej do powiedzenia w przyszłym roku, szczególnie na 241. spotkanie Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (AAS) w dniach 8-12 stycznia w Seattle.
Musimy jednak pamiętać, że JWST zbiera dane zaledwie od sześciu miesięcy. Biorąc pod uwagę złożoność zarówno teleskopu, jak i gromadzonych przez niego informacji, astronomowie dbają o swoje odkrycia. Jeśli wstępne wyniki tej pierwszej konferencji naukowej JWST są jakąkolwiek wskazówką, to kilka następnych lat może być jednymi z najbardziej ekscytujących czasów dla astrofizyków, kosmologów i planetologów.
Post Kwazary, egzoplanety i atmosfery odległych światów: więcej o pierwszych wynikach z JWST pojawiła się najpierw na Świat Fizyki.
