Jak tylko prezydent Biden został ujawniony pierwszy obraz z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) 11 lipca, Massimo Pascale i jego zespół ruszył do akcji.
Koordynując prace nad Slackiem, Pascale, astrofizykiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i 14 współpracownikami podzielili się zadaniami. Obraz ukazywał tysiące galaktyk na fragmencie nieba wielkości punkcji szpilki, niektóre powiększone, gdy ich światło zakrzywiało się wokół centralnej gromady galaktyk. Zespół zabrał się do pracy nad analizą obrazu, mając nadzieję na opublikowanie pierwszego artykułu naukowego JWST. — Pracowaliśmy bez przerwy — powiedziała Pascale. „To było jak pokój ucieczki”.
Trzy dni później, zaledwie kilka minut przed codziennym terminem na arxiv.org, serwerze, na którym naukowcy mogą przesyłać wczesne wersje artykułów, zespół złożyli swoje badania. Stracili pierwsze miejsce o 13 sekund, „co było całkiem zabawne” – powiedziała Pascale.
Połączenia zwycięzcy, Guillaume'a Mahlera na Durham University w Wielkiej Brytanii i współpracownicy przeanalizowali ten sam pierwszy obraz JWST. „To była czysta przyjemność móc zebrać te niesamowite dane i opublikować je” – powiedział Mahler. „Jeśli możemy to zrobić szybko, dlaczego mamy czekać?”
„Zdrowa konkurencja”, jak nazywa to Mahler, podkreśla ogromną ilość nauki, która już pochodzi z JWST, kilka dni po tym, jak naukowcy zaczęli otrzymywać dane z długo oczekiwanego megateleskopu wykrywającego podczerwień.
Świt czasu
Jedną z bardzo zachwalanych umiejętności JWST jest możliwość spojrzenia w przeszłość do wczesnego wszechświata i zobaczenia niektórych z pierwszych galaktyk i gwiazd. Już teleskop, który wystartował w Boże Narodzenie 2021 roku, a teraz znajduje się 1.5 miliona kilometrów od Ziemi, wykrył najdalszą, najwcześniejszą znaną galaktykę.
Dwa zespoły znalazły galaktykę, gdy osobno przeanalizowały obserwacje JWST na potrzeby przeglądu GLASS, jeden z ponad 200 programy naukowe zaplanowane na pierwszy rok teleskopu w kosmosie. Obie drużyny, jeden led by Rohana Naidu w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Massachusetts oraz Inne by Marco Castellano w Obserwatorium Astronomicznym w Rzymie zidentyfikował w danych dwie szczególnie odległe galaktyki: jedną tak odległą, że JWST wykrył światło, które wyemitowało 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu (powiązanie z najstarszą galaktyką kiedykolwiek widzianą przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a), a drugi, nazwany GLASS-z13, widziany tak, jak pojawił się 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. „Byłaby to najbardziej odległa galaktyka, jaką kiedykolwiek znaleziono” – powiedział Castellano.
Obie galaktyki wyglądają na niezwykle małe, być może 100 razy mniejsze niż Droga Mleczna, a mimo to wykazują zaskakujące tempo formowania się gwiazd i zawierają już miliard mas masy naszego Słońca – więcej niż oczekiwano w przypadku tak młodych galaktyk. Jedna z młodych galaktyk wykazuje nawet ślady struktury przypominającej dysk. Przeprowadzone zostaną dalsze badania, aby rozbić ich światło i zebrać ich cechy.
Inny program we wczesnym wszechświecie również ujawnił „niesamowicie odległe galaktyki”, powiedział Rebeka Larson, astronom z University of Texas w Austin i członek badania Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Zaledwie kilka tygodni po rozpoczęciu badania zespół zebrał garść galaktyk z pierwszych 500 milionów lat wszechświata, chociaż Larson i jej koledzy nie ujawnili jeszcze swoich dokładnych odkryć. „Jest lepiej, niż sobie wyobrażałam, a to dopiero początek” – powiedziała.
Więcej wczesnych galaktyk kryje się w obrazie gromady galaktyk przedstawionym przez prezydenta Bidena i zbadanym przez Pascale i Mahlera. Nazywa SMAK 0723gromada jest tak ciężka, że ugina światło bardziej odległych obiektów, ukazując je. Pascale i Mahler znaleźli do 16 odległych galaktyk, które zostały powiększone na zdjęciu; ich dokładny wiek nie jest jeszcze znany.
Teleskop przyjrzał się bliżej jednej odległej galaktyce na zdjęciu, smugi światła datowanej na 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Za pomocą spektrografu JWST wykrył w galaktyce ciężkie pierwiastki, w szczególności tlen. Teraz naukowcy mają nadzieję, że teleskop znajdzie brak ciężkich pierwiastków nawet we wcześniejszych galaktykach — dowód na to, że galaktyki te zawierają tylko Populacja III gwiazdki, hipotetyczne pierwsze gwiazdy we wszechświecie, uważane za potwornie ogromne i wykonane w całości z wodoru i helu. (Dopiero gdy te gwiazdy eksplodowały, wykuwały cięższe pierwiastki, takie jak tlen, i wyrzucały je w kosmos.)
„Szukamy galaktyk, w których nie widzimy ciężkich pierwiastków”, powiedział Andy Bunker, astrofizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego. „To może być dymiąca broń dla pierwszej generacji gwiazd utworzonych z pierwotnego wodoru i helu. Teoretycznie powinny istnieć. Zależy, czy są wystarczająco jasne”.
Struktura Galaktyczna
Dla naukowców, którzy chcą zrozumieć strukturę galaktyk i sposób, w jaki tworzą się w nich gwiazdy, JWST dostarczyło już istotnych danych.
Jeden program obserwacyjny, prowadzony przez Janice Lee w NOIRLab National Science Foundation w Arizonie poszukuje młodych miejsc formowania się gwiazd w galaktykach. W imieniu zespołu Lee JWST obserwował galaktykę odległą o 24 miliony lat świetlnych, zwaną NGC 7496, której młode regiony formowania się gwiazd były dotychczas spowite ciemnością; Instrumenty Hubble'a nie były w stanie przeniknąć gęstego pyłu i gazu otaczającego te regiony. Jednak JWST może zobaczyć światło podczerwone, które odbija się od pyłu, umożliwiając teleskopowi sondowanie blisko momentów, w których gwiazdy się włączyły i w ich jądrach zapaliła się fuzja jądrowa. „Pył rzeczywiście się rozświetla” – powiedział Lee.
Jak powiedziała, najbardziej niezwykłe jest to, że NGC 7496 jest normalną galaktyką, „nie galaktyką z plakatu-dziecka”. Jednak pod czujnym okiem JWST nagle ożywa i ujawnia kanały, w których formują się gwiazdy. „To po prostu fenomenalne”, powiedziała.
Tymczasem John Barentine, astronom z firmy zajmującej się ochroną ciemnego nieba Dark Sky Consulting w Arizonie, dokonał bardziej nieoczekiwanego odkrycia na jednym z pierwszych zdjęć JWST. Teleskopowe zdjęcie Mgławicy Pierścień Południowy, znajdującej się 2,500 lat świetlnych od Ziemi, wykazywało niezwykłą wyrazistość. Z boku pojawiła się intrygująca galaktyka oglądana z boku (unikalny punkt obserwacyjny do badania centralnego zgrubienia galaktyki), wcześniej błędnie zidentyfikowana jako część samej mgławicy.
„Mamy tę niezwykle czułą maszynę, która przypadkowo ujawni rzeczy, których nawet nie wiedzieliśmy, że szukamy” – powiedział Barentine. „Prawie w każdym obrazie zrobionym przez Webba warto grzebać w tle”.
Oko na gwiazdy i planety
Na celowniku JWST znajdują się również mniejsze cele, w tym planety naszego Układu Słonecznego. Jowisz się pojawił we wspaniały sposób w ramach pierwszej partii zdjęć, uchwyconych przy ekspozycji trwającej zaledwie 75 sekund.
Astronomowie wiedzą, że górna atmosfera Jowisza jest o setki stopni gorętsza niż dolna, ale nie są pewni dlaczego. Dzięki wykryciu światła podczerwonego JWST mógł zobaczyć świecenie podgrzanej górnej warstwy atmosfery; wygląda jak czerwony pierścień wokół planety. „Mamy tę warstwę kilkaset kilometrów nad pokładami chmur i świeci, ponieważ jest gorąca” – powiedział Henrik Melin, planetolog z University of Leicester. „Nigdy wcześniej nie widzieliśmy tego w taki sposób w skali globalnej. To niezwykła rzecz do zobaczenia”.
Program Melin planuje wykorzystać JWST w nadchodzących tygodniach do zbadania siły napędowej tego atmosferycznego ogrzewania.
W obrazie JWST JWST kryje się wulkaniczny księżyc Io, który wchodzi w interakcję z zorzą Jowisza — tworząc mały wybrzuszenie w zorzy nisko na niebie planety. Obraz ujawnia „materiał pochodzący z Io spływający liniami pola magnetycznego” – powiedziała Melin. Efekt był widziany wcześniej, ale JWST łatwo go rozpoznał, ledwo rzucając okiem na planetę.
JWST bada również planety w innych układach gwiezdnych. Teleskop już rzucił okiem na słynny system TRAPPIST-1, czerwonego karła z siedmioma światami wielkości Ziemi (niektóre potencjalnie nadające się do zamieszkania), chociaż dane są nadal analizowane. Opublikowano wczesne obserwacje mniej gościnnej planety, „gorącego Jowisza” o nazwie WASP-96 b, na ciasnej 3.4-dniowej orbicie wokół swojej gwiazdy.
JWST znalazło parę wodną w atmosferze planety, potwierdzając dowody na obecność wody zgłoszone dni wcześniej by Chimy McGruder Harvard-Smithsonian Center i współpracowników, którzy używali teleskopu naziemnego. Ale JWST może pójść dalej; obserwując stosunek węgla do tlenu w WASP-96 b, może być w stanie rozwiązać zagmatwaną zagadkę dotyczącą gorących Jowiszów: w jaki sposób osiągają one tak bliskie orbity wokół swoich gwiazd. Więcej tlenu sugerowałoby, że gazowy gigant początkowo uformował się daleko od gwiazdy, gdzie woda mogła się skondensować, podczas gdy wyższy stosunek węgla sugerowałby, że zawsze był blisko gwiazdy.
Tymczasem JWST mógł zauważyć tymczasowe światło na niebie — krótkotrwałe zdarzenie znane jako przejściowe — do czego początkowo nie zostało zaprojektowane. Astronom Mike Engesser i jego koledzy z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland (centrum operacyjne JWST) zauważyli jasny obiekt niewidoczny na zdjęciach Hubble'a tego samego regionu. Uważają, że to supernowa lub wybuchająca gwiazda odległa o jakieś 3 miliardy lat świetlnych – dowód na to, że teleskop może wykryć te zdarzenia.
JWST powinien być również w stanie znaleźć znacznie bardziej odległe supernowe, co da mu inny sposób na służenie jako sonda wczesnego Wszechświata. Może również znaleźć gwiazdy rozrywane przez supermasywne czarne dziury, które znajdują się w centrach galaktyk, czego nie widział żaden poprzedni teleskop. „Po raz pierwszy będziemy mogli zajrzeć w te bardzo głębokie, ciemne regiony” – powiedział Ori Fox, astronom z Space Telescope Science Institute, który kieruje zespołem badającym stany nieustalone.
Stany nieustalone, podobnie jak inne zjawiska astronomiczne, mają zostać przedefiniowane. Po dziesięcioleciach planowania i budowy JWST podbiło niebo. Problem teraz nadąża za nieustannym zalewem nauki sprowadzanym z maszyny tak złożonej, ale bezbłędnej, że prawie nie można uwierzyć, że została zbudowana przez ludzkie mózgi. „To działa i jest szalone”, powiedział Larson.
