Как только президент Байден обнародовал первое изображение с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) 11 июля. Массимо Паскаль и его команда приступила к делу.
Координируя работу над Slack, Паскаль, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли, и 14 сотрудников разделили задачи. Изображение показало тысячи галактик в части неба размером с булавочную головку, некоторые из которых были увеличены, поскольку их свет огибает центральное скопление галактик. Команда приступила к тщательному изучению изображения, надеясь опубликовать самую первую научную статью JWST. «Мы работали без перерыва, — сказал Паскаль. «Это было похоже на квест-комнату».
Три дня спустя, всего за несколько минут до крайнего срока на arxiv.org, сервере, где ученые могут загружать ранние версии статей, команда представили свои исследования. Они упустили первое место на 13 секунд, «что было довольно забавно», — сказал Паскаль.
Ассоциация победители, Гийом Малер из Даремского университета в Соединенном Королевстве и его коллеги проанализировали то же самое первое изображение JWST. «Было просто огромное удовольствие иметь возможность взять эти удивительные данные и опубликовать их», — сказал Малер. «Если мы можем сделать это быстро, зачем нам ждать?»
«Здоровая конкуренция», как ее называет Малер, подчеркивает огромный объем научных данных, которые уже поступают от JWST, спустя несколько дней после того, как ученые начали получать данные с долгожданного мегателескопа с инфракрасным датчиком.
Рассвет времени
Одна из широко разрекламированных способностей JWST — это способность оглянуться назад во времени, на раннюю вселенную, и увидеть некоторые из первых галактик и звезд. Телескоп, который был запущен в Рождество 2021 года и сейчас находится на расстоянии 1.5 миллиона километров от Земли, уже обнаружил самую далекую и самую раннюю из известных галактик.
Две группы нашли галактику, когда они отдельно анализировали наблюдения JWST для обзора GLASS, одного из более чем 200 наблюдений. научные программы запланирован на первый год работы телескопа в космосе. Обе команды, один светодиод by Рохан Найду в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Массачусетсе и другие by Марко Кастеллано в Астрономической обсерватории Рима определили в данных две особенно удаленные галактики: одна так далеко, что JWST обнаруживает свет, который она излучала через 400 миллионов лет после Большого взрыва (связь с самой старой галактикой, когда-либо наблюдаемой космическим телескопом Хаббла), а другой, получивший название GLASS-z13, виден таким, каким он появился через 300 миллионов лет после Большого взрыва. «Это будет самая далекая галактика из когда-либо обнаруженных», — сказал Кастеллано.
Обе галактики выглядят очень маленькими, возможно, в 100 раз меньше Млечного Пути, но они демонстрируют удивительную скорость звездообразования и уже содержат массу в 1 миллиард раз больше массы нашего Солнца — больше, чем ожидалось для таких молодых галактик. Одна из молодых галактик даже демонстрирует признаки дискообразной структуры. Будут проведены дополнительные исследования, чтобы разделить их свет и определить их характеристики.
Другая программа изучения ранней Вселенной также обнаружила «невероятно далекие галактики». Ребекка Ларсон, астроном из Техасского университета в Остине и участник исследования «Космическая эволюция раннего выпуска» (CEERS). Всего через несколько недель после начала исследования команда собрала несколько галактик из первых 500 миллионов лет существования Вселенной, хотя Ларсон и ее коллеги еще не обнародовали свои точные результаты. «Это лучше, чем я себе представляла, и это только начало», — сказала она.
Более ранние галактики скрываются на изображении скопления галактик, представленном президентом Байденом и изученном Паскалем и Малером. Называется СМАКС 0723, скопление настолько тяжелое, что искажает свет более удаленных объектов, делая их видимыми. Паскаль и Малер обнаружили до 16 удаленных галактик, которые были увеличены на изображении; их точный возраст еще не известен.
Телескоп внимательно изучил одну далекую галактику на изображении, светящееся пятно, появившееся через 700 миллионов лет после Большого взрыва. С помощью своего спектрографа JWST обнаружил тяжелые элементы, особенно кислород, в галактике. Теперь ученые надеются, что телескоп обнаружит отсутствие тяжелых элементов еще в более ранних галактиках — доказательство того, что эти галактики содержат только Население III звезды, гипотетические первые звезды во Вселенной, которые считались чудовищно огромными и полностью состояли из водорода и гелия. (Только когда эти звезды взрывались, они образовывали более тяжелые элементы, такие как кислород, и выбрасывали их в космос.)
«Мы ищем галактики, в которых не видим тяжелых элементов», — сказал Энди Банкер, астрофизик из Оксфордского университета. «Это может быть дымящимся пистолетом для первого поколения звезд, образовавшихся из первичного водорода и гелия. Теоретически они должны существовать. Это зависит от того, достаточно ли они яркие».
Галактическая структура
Для ученых, стремящихся понять структуру галактик и то, как в них формируются звезды, JWST уже предоставил важные данные.
Одна программа наблюдений под руководством Дженис Ли в NOIRLab Национального научного фонда в Аризоне ищет молодые участки звездообразования в галактиках. По поручению команды Ли JWST наблюдал за галактикой NGC 24, расположенной на расстоянии 7496 миллионов световых лет от нас, чьи молодые области звездообразования до сих пор были окутаны тьмой; Инструменты Хаббла не смогли проникнуть сквозь толщу пыли и газа, окружающих эти регионы. JWST, тем не менее, может видеть инфракрасный свет, который отражается от пыли, что позволяет телескопу исследовать моменты, когда звезды включались и в их ядрах зажигался ядерный синтез. «Пыль на самом деле загорается», — сказал Ли.
По ее словам, самое примечательное то, что NGC 7496 — нормальная галактика, «а не галактика-ребенок с плаката». Тем не менее, под бдительным оком JWST он внезапно оживает и открывает каналы, в которых формируются звезды. «Это просто феноменально», — сказала она.
Тем временем Джон Барентин, астроном из фирмы по сохранению темного неба Dark Sky Consulting в Аризоне, сделал более удачное открытие на одном из первых изображений JWST. Фотография телескопа туманности Южное кольцо, расположенной в 2,500 световых годах от Земли, показала поразительную четкость. Сбоку видна интригующая галактика, рассматриваемая с ребра (уникальная точка обзора для изучения центральной выпуклости галактики), ранее ошибочно идентифицированная как часть самой туманности.
«У нас есть эта чрезвычайно чувствительная машина, которая по счастливой случайности обнаружит вещи, которые мы даже не подозревали, что искали», — сказал Барентин. «Почти на каждом снимке, который делает Уэбб, стоит покопаться в фоне».
Взгляд на звезды и планеты
Меньшие цели также находятся в поле зрения JWST, включая планеты нашей Солнечной системы. Юпитер появился в великолепной форме как часть первой партии изображений, снятых с выдержкой всего 75 секунд.
Астрономы знают, что верхняя атмосфера Юпитера на сотни градусов горячее, чем нижняя, но не знают почему. Обнаружив инфракрасный свет, JWST смог увидеть сияние нагретых верхних слоев атмосферы; он выглядит как красное кольцо вокруг планеты. «У нас есть этот слой в нескольких сотнях километров над облачными слоями, и он светится, потому что жарко», — сказал Хенрик Мелин, планетолог из Университета Лестера. «Мы никогда раньше не видели такого в глобальном масштабе. Это необыкновенная вещь, которую можно увидеть».
программа Мелина планирует использовать JWST в ближайшие недели для изучения движущей силы этого атмосферного нагрева.
На изображении Юпитера, сделанном JWST, скрывается вулканическая луна Ио, взаимодействующая с полярным сиянием Юпитера, создавая небольшой выступ на полярном сиянии низко в небе планеты. На изображении видно, что «материал, поступающий с Ио, стекает по линиям магнитного поля», — сказал Мелин. Эффект был замечен раньше, но JWST легко определил его, едва взглянув на планету.
JWST исследует планеты и в других звездных системах. Телескоп уже заглянул в знаменитую систему TRAPPIST-1, красную карликовую звезду с семью мирами размером с Землю (некоторые потенциально пригодны для жизни), хотя данные все еще анализируются. Были опубликованы ранние наблюдения менее гостеприимной планеты, «горячего Юпитера» под названием WASP-96 b, находящейся на узкой 3.4-дневной орбите вокруг своей звезды.
JWST обнаружил водяной пар в атмосфере планеты, подтверждая наличие воды сообщалось днями ранее by Чима МакГрудер из Гарвард-Смитсоновского центра и его коллег, использовавших наземный телескоп. Но JWST может пойти дальше; наблюдая за соотношением углерода и кислорода в WASP-96 b, он может решить запутанную загадку горячих юпитеров: как они достигают таких близких орбит вокруг своих звезд. Большее количество кислорода предполагает, что газовый гигант первоначально сформировался далеко от звезды, где могла конденсироваться вода, в то время как более высокое содержание углерода предполагает, что он всегда был близко.
Между тем, JWST, возможно, заметил временный свет в небе — кратковременное событие, известное как переходный процесс, — для чего он изначально не был предназначен. Астроном Майк Энгессер и его коллеги из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд (операционный центр JWST), заметили яркий объект, не видимый на изображениях Хаббла того же региона. Они думают, что это сверхновая или взорвавшаяся звезда на расстоянии около 3 миллиардов световых лет — доказательство того, что телескоп может обнаружить эти события.
JWST также должен быть способен находить гораздо более далекие сверхновые звезды, что даст ему еще одну возможность служить зондом ранней Вселенной. Он также может обнаружить, что звезды разрываются на части сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центрах галактик, чего не видел ни один предыдущий телескоп. «Впервые мы сможем заглянуть в эти очень глубокие темные области», — сказал он. Ори Фокс, астроном из Научного института космического телескопа, возглавляющий группу, изучающую переходные процессы.
Переходные процессы, как и другие астрономические явления, должны быть переопределены. После десятилетий планирования и строительства JWST взлетела до небес. Теперь проблема идет в ногу с постоянным потоком научных данных, исходящих от машины настолько сложной, но безупречной, что почти невозможно поверить, что она была создана человеческим мозгом. «Это работает, и это безумие», — сказал Ларсон.
