Takoj ko je predsednik Biden predstavil prva slika iz vesoljskega teleskopa James Webb (JWST) 11. julija, Massimo Pascale in njegova ekipa je stopila v akcijo.
Usklajevanje nad Slackom, Pascale, astrofizik na kalifornijski univerzi Berkeley, in 14 sodelavcev so razdelili naloge. Posnetek je pokazal na tisoče galaksij na delu neba v velikosti igle, nekatere povečane, ko se je njihova svetloba upognila okoli osrednje jate galaksij. Ekipa se je lotila natančnega pregleda slike v upanju, da bo objavila prvi znanstveni članek JWST. "Delali smo brez prestanka," je dejal Pascale. "Bilo je kot soba pobega."
Tri dni kasneje, le nekaj minut pred dnevnim rokom na arxiv.org, strežniku, kamor lahko znanstveniki naložijo zgodnje različice člankov, je ekipa predložili svoje raziskave. Zgrešili so, da bi bili prvi za 13 sekund, "kar je bilo precej smešno," je dejal Pascale.
O zmagovalci, Guillaume Mahler na univerzi Durham v Združenem kraljestvu in sodelavci analizirali isto prvo sliko JWST. "Bil je samo užitek, da sem lahko vzel te neverjetne podatke in jih objavil," je dejal Mahler. "Če lahko to storimo hitro, zakaj bi čakali?"
»Zdrava konkurenca«, kot jo imenuje Mahler, poudarja ogromen obseg znanosti, ki že prihaja iz JWST, nekaj dni po tem, ko so znanstveniki začeli prejemati podatke iz dolgo pričakovanega megateleskopa z infrardečim zaznavanjem.
Zora časa
Ena od zelo razglašenih sposobnosti JWST je moč pogledati nazaj v zgodnje vesolje in videti nekaj prvih galaksij in zvezd. Teleskop, ki je bil izstreljen na božični dan 2021 in je zdaj oddaljen 1.5 milijona kilometrov od Zemlje, je že opazil najbolj oddaljeno, najzgodnejšo znano galaksijo.
Dve ekipi sta našli galaksijo, ko sta ločeno analizirali opazovanja JWST za raziskavo GLASS, eno od več kot 200 znanstveni programi načrtovano za prvo leto teleskopa v vesolju. Obe ekipi, ena vodila by Rohan Naidu v centru za astrofiziko Harvard-Smithsonian v Massachusettsu in drugi by Marco Castellano na Astronomskem observatoriju v Rimu je v podatkih identificiral dve posebej oddaljeni galaksiji: eno tako oddaljeno, da JWST zazna svetlobo, ki jo je oddala 400 milijonov let po velikem poku (kar je izenačeno z najstarejšo galaksijo, ki jo je kdaj videl vesoljski teleskop Hubble), in drugi, imenovan GLASS-z13, viden, kot se je pojavil 300 milijonov let po velikem poku. "To bi bila najbolj oddaljena galaksija, kar so jih kdaj našli," je dejal Castellano.
Obe galaksiji sta videti izjemno majhni, morda 100-krat manjši od Mlečne ceste, vendar kažeta presenetljivo hitrost nastajanja zvezd in že vsebujeta 1 milijardo krat večjo maso našega sonca – več kot je bilo pričakovano za tako mlade galaksije. Ena od mladih galaksij celo kaže na diskasto strukturo. Opravljenih bo več študij, da bi razčlenili njihovo svetlobo in pridobili njihove značilnosti.
Drugi program zgodnjega vesolja je prav tako odkril "neverjetno oddaljene galaksije", je dejal Rebecca Larson, astronom na Univerzi v Teksasu v Austinu in član raziskave Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Le nekaj tednov po začetku raziskave je ekipa zbrala peščico galaksij iz prvih 500 milijonov let vesolja, čeprav Larson in njeni kolegi še niso objavili svojih natančnih ugotovitev. "Bolje je, kot sem si predstavljala, in to je šele začetek," je rekla.
Več zgodnjih galaksij se skriva v podobi jate galaksij, ki jo je predstavil predsednik Biden in preučevala Pascale in Mahler. Poklican SMACS 0723, je kopica tako težka, da ukrivi svetlobo bolj oddaljenih predmetov in jih tako prikaže. Pascale in Mahler sta našla do 16 oddaljenih galaksij, ki so bile na sliki povečane; njihova točna starost še ni znana.
Teleskop je podrobneje pogledal eno oddaljeno galaksijo na sliki, madež svetlobe, ki je nastal 700 milijonov let po velikem poku. S svojim spektrografom je JWST zaznal težke elemente, zlasti kisik, v galaksiji. Zdaj znanstveniki upajo, da bo teleskop našel odsotnost težkih elementov v še starejših galaksijah – dokaz, da te galaksije vsebujejo le Zvezdice populacije III, domnevne prve zvezde v vesolju, za katere se domneva, da so bile pošastno ogromne in v celoti narejene iz vodika in helija. (Šele ko so te zvezde eksplodirale, so skovale težje elemente, kot je kisik, in jih izbruhale v vesolje.)
"Iščemo galaksije, kjer ne vidimo težkih elementov," je dejal Andy Bunker, astrofizik z Univerze v Oxfordu. »To bi lahko bila kajenje za prvo generacijo zvezd, oblikovanih iz prvobitnega vodika in helija. Teoretično bi morali obstajati. Odvisno je, ali so dovolj bistri.«
Galaktična struktura
Za znanstvenike, ki želijo razumeti strukturo galaksij in kako zvezde nastajajo v njih, je JWST že zagotovil pomembne podatke.
En opazovalni program, ki ga vodi Janice Lee v laboratoriju NOIRLab Nacionalne znanstvene fundacije v Arizoni išče mlada mesta nastajanja zvezd v galaksijah. V imenu Leejeve ekipe je JWST opazoval 24 milijonov svetlobnih let oddaljeno galaksijo, imenovano NGC 7496, katere mlade regije nastajanja zvezd so bile do zdaj zavite v temo; Hubblovi instrumenti niso mogli prodreti skozi gost prah in plin, ki obdajata te regije. JWST pa lahko vidi infrardečo svetlobo, ki se odbija od prahu, kar omogoča teleskopu, da se približa trenutkom, ko so se zvezde vklopile in se jedrska fuzija vžgala v njihovih jedrih. "Prah se dejansko zasveti," je dejal Lee.
Kar je najbolj presenetljivo, je dejala, je, da je NGC 7496 normalna galaksija, "ne galaksija na plakatu." Vendar pa pod budnim očesom JWST nenadoma oživi in razkrije kanale, kjer nastajajo zvezde. "To je naravnost fenomenalno," je rekla.
John Barentine, astronom pri podjetju za ohranjanje temnega neba Dark Sky Consulting v Arizoni, je medtem prišel do bolj naključnega odkritja na eni od prvih slik JWST. Teleskopska slika meglice Južni obroč, 2,500 svetlobnih let od Zemlje, je pokazala izjemno jasnost. Ob strani se je pokazala zanimiva galaksija, ki je bila opazovana z roba (edinstvena izhodiščna točka za preučevanje osrednje izbokline galaksije), ki je bila prej napačno identificirana kot del same meglice.
"Imamo ta izredno občutljiv stroj, ki bo po naključju razkril stvari, za katere sploh nismo vedeli, da jih iščemo," je dejal Barentine. "V skoraj vsaki sliki, ki jo posname Webb, je vredno pobrskati po ozadju."
Pogled na zvezde in planete
Tudi manjše tarče so v križišču JWST, vključno s planeti našega sončnega sistema. Pojavil se je Jupiter na veličasten način kot del prve serije slik, posnetih z osvetlitvijo, ki traja le 75 sekund.
Astronomi vedo, da je Jupitrova zgornja atmosfera za več sto stopinj toplejša od spodnje atmosfere, vendar niso prepričani, zakaj. Z zaznavanjem infrardeče svetlobe je JWST lahko videl segreto zgornjo atmosfero; pojavlja se kot rdeč obroč okoli planeta. "To plast imamo nekaj sto kilometrov nad oblaki in žari, ker je vroča," je povedal Henrik Melin, planetarni znanstvenik z Univerze v Leicestru. »Takega v svetovnem merilu še nikoli nismo videli. To je izjemna stvar za videti.”
Melin program načrtuje uporabo JWST v prihodnjih tednih za preučevanje gonilne sile tega atmosferskega segrevanja.
V sliki Jupitra, ki jo je ustvaril JWST, se skriva vulkanska luna Io, ki je v interakciji z Jupitrovim polarnim sijajem – ustvarja majhno izboklino v polarnem sijaju nizko na nebu planeta. Slika razkriva "material, ki prihaja iz Io, ki teče po linijah magnetnega polja," je dejal Melin. Učinek je bil viden že prej, vendar ga je JWST zlahka izbral s komaj pogledom na planet.
JWST preiskuje tudi planete v drugih zvezdnih sistemih. Teleskop je že pokukal v znameniti sistem TRAPPIST-1, rdečo pritlikavo zvezdo s sedmimi svetovi v velikosti Zemlje (nekateri potencialno naseljivi), čeprav podatke še vedno analizirajo. Objavljena so bila zgodnja opazovanja manj gostoljubnega planeta, "vročega Jupitra", imenovanega WASP-96 b, v tesni 3.4-dnevni orbiti okoli svoje zvezde.
JWST je našel vodno paro v atmosferi planeta, kar potrjuje dokaze o vodi poročali dni prej by Chima McGruder iz centra Harvard-Smithsonian in sodelavci, ki so uporabili zemeljski teleskop. Toda JWST lahko gre še dlje; z opazovanjem razmerja med ogljikom in kisikom pri WASP-96 b bo morda lahko razrešil zmedo o vročih Jupiterjih: kako dosežejo tako tesno kroženje okoli svojih zvezd. Več kisika bi nakazovalo, da je plinski velikan prvotno nastal daleč od zvezde, kjer bi lahko kondenzirala voda, medtem ko bi višje razmerje ogljika nakazovalo, da je bil vedno blizu.
Medtem je JWST morda opazil začasno svetlobo na nebu - kratkotrajni dogodek, znan kot prehodnost - za kar prvotno ni bil zasnovan. Astronom Mike Engesser in sodelavci na Znanstvenem inštitutu za vesoljski teleskop v Baltimoru v Marylandu (operacijski center za JWST) so opazili svetel objekt, ki ni viden na Hubblovih slikah iste regije. Mislijo, da gre za supernovo ali eksplozivno zvezdo, približno 3 milijarde svetlobnih let stran – dokaz, da lahko teleskop odkrije te dogodke.
JWST bi moral biti sposoben najti tudi veliko bolj oddaljene supernove, kar mu bo omogočilo še en način, da služi kot sonda zgodnjega vesolja. Prav tako lahko odkrije zvezde, ki jih raztrgajo supermasivne črne luknje, ki se nahajajo v središčih galaksij, kar ni videl noben prejšnji teleskop. "Prvič bomo lahko pokukali v ta zelo globoka, temna področja," je dejal Ori Fox, astronom na Znanstvenem inštitutu za vesoljski teleskop, ki vodi ekipo, ki preučuje prehodne pojave.
Prehodni pojavi bodo, tako kot drugi astronomski pojavi, na novo opredeljeni. Po desetletjih načrtovanja in gradnje je JWST dosegel nebo. Težava je zdaj v koraku z nenehnim navalom znanosti, ki prihaja iz stroja, ki je tako zapleten, a brezhiben, da skoraj kljubuje prepričanju, da so ga zgradili človeški možgani. "Deluje in je noro," je dejal Larson.
