Ngay sau khi Tổng thống Biden tiết lộ hình ảnh đầu tiên từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) vào ngày 11 tháng XNUMX, Massimo Pascale và nhóm của anh ấy bắt đầu hành động.
Phối hợp với Slack, Pascale, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học California, Berkeley, và 14 cộng tác viên đã phân chia các nhiệm vụ. Hình ảnh cho thấy hàng nghìn thiên hà trong một phần có kích thước bằng pinprick của bầu trời, một số được phóng đại khi ánh sáng của chúng uốn cong xung quanh một cụm thiên hà trung tâm. Nhóm nghiên cứu bắt đầu làm việc để xem xét kỹ lưỡng hình ảnh, hy vọng sẽ xuất bản bài báo khoa học JWST đầu tiên. Pascale nói: “Chúng tôi đã làm việc không ngừng nghỉ. "Nó giống như một phòng thoát hiểm."
Ba ngày sau, chỉ vài phút trước thời hạn hàng ngày trên arxiv.org, máy chủ nơi các nhà khoa học có thể tải lên các phiên bản đầu tiên của bài báo, nhóm nghiên cứu gửi nghiên cứu của họ. Pascale cho biết họ đã bỏ lỡ 13 giây đầu tiên, “điều đó khá là buồn cười.
Sản phẩm người chiến thắng, Guillaume Mahler tại Đại học Durham ở Vương quốc Anh và các đồng nghiệp, đã phân tích cùng hình ảnh JWST đầu tiên đó. Mahler nói: “Chỉ có một niềm vui tuyệt đối là có thể lấy dữ liệu tuyệt vời này và xuất bản nó. "Nếu chúng ta có thể làm điều đó nhanh chóng, tại sao chúng ta phải chờ đợi?"
“Sự cạnh tranh lành mạnh”, như Mahler gọi nó, làm nổi bật khối lượng khoa học khổng lồ đã đến từ JWST, vài ngày sau khi các nhà khoa học bắt đầu nhận dữ liệu từ kính viễn vọng siêu lớn cảm biến hồng ngoại đã được chờ đợi từ lâu.
Thời gian bình minh
Một trong những khả năng được ca tụng nhiều của JWST là khả năng quay ngược thời gian trở lại vũ trụ sơ khai và nhìn thấy một số thiên hà và ngôi sao đầu tiên. Hiện tại, kính thiên văn - được phóng vào Ngày Giáng sinh năm 2021 và hiện đang đặt cách Trái đất 1.5 triệu km - đã phát hiện ra thiên hà xa nhất, sớm nhất được biết đến.
Hai nhóm đã tìm thấy thiên hà khi họ phân tích riêng biệt các quan sát JWST cho khảo sát GLASS, một trong số hơn 200 chương trình khoa học dự kiến cho năm đầu tiên của kính thiên văn trong không gian. Cả hai đội, một người dẫn đầu by Rohan Naidu tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian ở Massachusetts và khác by Marco Castellano tại Đài quan sát Thiên văn của Rome, đã xác định được hai thiên hà đặc biệt ở xa trong dữ liệu: một thiên hà xa đến mức JWST phát hiện ra ánh sáng mà nó phát ra 400 triệu năm sau Vụ nổ lớn (liên kết với thiên hà lâu đời nhất từng được Kính viễn vọng Không gian Hubble nhìn thấy), và cái còn lại, được đặt tên là GLASS-z13, được xem là nó xuất hiện 300 triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Castellano nói: “Nó sẽ là thiên hà xa nhất từng được tìm thấy.
Cả hai thiên hà đều trông cực kỳ nhỏ, có lẽ nhỏ hơn 100 lần so với Dải Ngân hà, nhưng chúng cho thấy tốc độ hình thành sao đáng ngạc nhiên và đã chứa khối lượng gấp 1 tỷ lần mặt trời của chúng ta - nhiều hơn dự kiến đối với thiên hà trẻ này. Một trong những thiên hà trẻ thậm chí còn cho thấy bằng chứng về cấu trúc hình đĩa. Nhiều nghiên cứu sẽ được thực hiện để phá vỡ ánh sáng của chúng để thu thập các đặc điểm của chúng.
Một chương trình vũ trụ sơ khai khác cũng đã làm xuất hiện “những thiên hà xa xôi vô cùng,” cho biết Rebecca Larson, một nhà thiên văn học tại Đại học Texas, Austin và là thành viên của cuộc khảo sát Khoa học Phát hành Sớm Tiến hóa Vũ trụ (CEERS). Chỉ vài tuần sau cuộc khảo sát, nhóm nghiên cứu đã thu thập được một số ít các thiên hà từ 500 triệu năm đầu tiên của vũ trụ, mặc dù Larson và các đồng nghiệp của cô ấy vẫn chưa công bố những phát hiện chính xác của họ. “Nó tốt hơn tôi tưởng tượng và đó mới chỉ là khởi đầu,” cô nói.
Nhiều thiên hà ban đầu ẩn trong hình ảnh của cụm thiên hà do Tổng thống Biden trình bày và Pascale và Mahler nghiên cứu. Gọi là SMACS 0723, cụm này nặng đến nỗi nó bẻ cong ánh sáng của các vật thể ở xa hơn, đưa chúng vào tầm nhìn. Pascale và Mahler đã tìm thấy tới 16 thiên hà xa xôi đã được phóng đại trong ảnh; tuổi chính xác của họ vẫn chưa được biết.
Kính thiên văn đã quan sát kỹ hơn một thiên hà xa xôi trong hình ảnh, một vệt sáng có niên đại 700 triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Với máy quang phổ của mình, JWST đã phát hiện ra các nguyên tố nặng, đặc biệt là oxy, trong thiên hà. Giờ đây, các nhà khoa học đang hy vọng kính viễn vọng sẽ tìm thấy sự vắng mặt của các nguyên tố nặng trong các thiên hà thậm chí còn sớm hơn - bằng chứng cho thấy những thiên hà này chỉ chứa Dân số III sao, những ngôi sao đầu tiên được đưa ra giả thuyết trong vũ trụ, được cho là khổng lồ một cách quái dị và được làm hoàn toàn từ hydro và heli. (Chỉ khi những ngôi sao đó phát nổ, chúng mới tạo ra các nguyên tố nặng hơn như oxy và phun chúng vào vũ trụ.)
Andy Bunker, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Oxford, cho biết: “Chúng tôi đang tìm kiếm những thiên hà mà chúng tôi không thấy có nguyên tố nặng nào. “Đó có thể là một khẩu súng hút cho thế hệ sao đầu tiên được hình thành từ hydro và heli nguyên thủy. Về mặt lý thuyết, chúng nên tồn tại. Nó phụ thuộc vào việc chúng có đủ sáng hay không ”.
Cấu trúc thiên hà
Đối với các nhà khoa học đang tìm cách hiểu cấu trúc của các thiên hà và cách các ngôi sao hình thành bên trong chúng, JWST đã cung cấp dữ liệu có tác động.
Một chương trình quan sát, do Janice Lee tại NOIRLab của Quỹ Khoa học Quốc gia ở Arizona, tìm kiếm các vị trí hình thành sao trẻ trong các thiên hà. Thay mặt cho nhóm của Lee, JWST đã quan sát một thiên hà cách chúng ta 24 triệu năm ánh sáng gọi là NGC 7496, có các vùng hình thành sao trẻ cho đến nay vẫn bị bao phủ trong bóng tối; Các thiết bị của Hubble không thể xuyên qua lớp bụi và khí dày bao quanh các khu vực này. Tuy nhiên, JWST có thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bụi, cho phép kính thiên văn thăm dò gần với thời điểm các ngôi sao bật sáng và phản ứng tổng hợp hạt nhân bốc cháy trong lõi của chúng. “Bụi thực sự đang sáng lên,” Lee nói.
Cô ấy nói, điều đáng chú ý nhất là NGC 7496 là một thiên hà bình thường, “không phải là thiên hà con hậu”. Tuy nhiên, dưới con mắt quan sát của JWST, nó đột nhiên trở nên sống động và tiết lộ các kênh nơi các ngôi sao đang hình thành. “Nó chỉ là một hiện tượng,” cô nói.
John Barentine, một nhà thiên văn học tại công ty bảo tồn bầu trời tối Dark Sky Consulting ở Arizona, trong khi đó, đã thực hiện một khám phá tình cờ hơn trong một trong những hình ảnh đầu tiên của JWST. Hình ảnh của kính thiên văn về Tinh vân Vành đai phía Nam, cách Trái đất 2,500 năm ánh sáng, cho thấy độ rõ nét đáng kể. Ở bên cạnh, một thiên hà hấp dẫn được nhìn nghiêng (một điểm thuận lợi duy nhất để nghiên cứu phần phình ra trung tâm của thiên hà), trước đây bị xác định nhầm là một phần của chính tinh vân, đã thò vào tầm nhìn.
Barentine cho biết: “Chúng tôi có một cỗ máy cực kỳ nhạy cảm này sẽ tiết lộ một cách tình cờ những thứ mà chúng tôi thậm chí không biết là chúng tôi đang tìm kiếm. “Trong hầu hết mọi hình ảnh mà Webb chụp, nó đáng để khám phá nền.”
Quan sát các vì sao và hành tinh
Các mục tiêu nhỏ hơn cũng nằm trong bảng chữ thập của JWST, bao gồm cả các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta. Sao mộc xuất hiện trong thời trang lộng lẫy là một phần của loạt ảnh đầu tiên, được chụp ở chế độ phơi sáng chỉ kéo dài 75 giây.
Các nhà thiên văn học biết rằng tầng khí quyển phía trên của Sao Mộc nóng hơn hàng trăm độ so với tầng khí quyển phía dưới, nhưng họ không chắc tại sao. Bằng cách phát hiện ánh sáng hồng ngoại, JWST có thể thấy bầu khí quyển phía trên nóng lên tỏa sáng; nó xuất hiện như một vòng đỏ xung quanh hành tinh. Henrik Melin, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Leicester, cho biết: “Chúng tôi có lớp này cách các tầng mây vài trăm km và nó phát sáng vì nó nóng. “Chúng tôi chưa bao giờ thấy nó như thế này trước đây trên quy mô toàn cầu. Đó là một điều phi thường để xem. ”
Chương trình của Melin có kế hoạch sử dụng JWST trong những tuần tới để nghiên cứu động lực đằng sau việc làm nóng khí quyển này.
Ẩn trong hình ảnh Sao Mộc của JWST là mặt trăng núi lửa Io tương tác với cực quang của Sao Mộc — tạo ra một vết lồi nhỏ trong cực quang thấp trên bầu trời của hành tinh. Melin cho biết hình ảnh cho thấy “vật chất đến từ Io chảy dọc theo các đường sức từ”. Hiệu quả đã được nhìn thấy trước đây, nhưng nó đã được JWST dễ dàng chọn ra chỉ bằng một cái nhìn thoáng qua về hành tinh.
JWST cũng đang thăm dò các hành tinh trong các hệ sao khác. Kính thiên văn đã xem xét hệ thống TRAPPIST-1 nổi tiếng, một ngôi sao lùn đỏ với bảy thế giới có kích thước bằng Trái đất (một số có khả năng sinh sống được), mặc dù dữ liệu vẫn đang được phân tích. Những quan sát ban đầu đã được công bố về một hành tinh ít hiếu khách hơn, một "sao Mộc nóng" được gọi là WASP-96 b, trong một quỹ đạo hẹp 3.4 ngày quanh ngôi sao của nó.
JWST tìm thấy hơi nước trong bầu khí quyển của hành tinh, xác nhận bằng chứng về nước báo cáo ngày trước đó by Chima McGruder của Trung tâm Harvard-Smithsonian và các đồng nghiệp, những người đã sử dụng kính thiên văn trên mặt đất. Nhưng JWST có thể đi xa hơn; bằng cách quan sát tỷ lệ cacbon so với oxy của WASP-96 b, nó có thể giải đáp được một bí ẩn khó hiểu về các sao Mộc nóng: làm thế nào chúng đạt được quỹ đạo gần như vậy xung quanh các ngôi sao của chúng. Nhiều oxy hơn sẽ cho thấy rằng ban đầu, khối khí khổng lồ hình thành ở xa ngôi sao nơi nước có thể ngưng tụ, trong khi tỷ lệ carbon cao hơn cho thấy nó luôn ở gần ngôi sao.
Trong khi đó, JWST có thể đã phát hiện ra một ánh sáng tạm thời trên bầu trời - một sự kiện tồn tại trong thời gian ngắn được gọi là thoáng qua - mà ban đầu nó không được thiết kế để làm. Nhà thiên văn học Mike Engesser và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian ở Baltimore, Maryland (trung tâm hoạt động của JWST), đã nhận thấy một vật thể sáng không rõ ràng trong ảnh Hubble của cùng một khu vực. Họ cho rằng đó là một siêu tân tinh, hay một ngôi sao đang nổ, cách chúng ta khoảng 3 tỷ năm ánh sáng - bằng chứng cho thấy kính thiên văn có thể tìm thấy những sự kiện này.
JWST cũng sẽ có khả năng tìm thấy các siêu tân tinh ở xa hơn, điều này sẽ cung cấp cho nó một cách khác để phục vụ như một tàu thăm dò của vũ trụ sơ khai. Nó cũng có thể tìm thấy các ngôi sao bị xé toạc bởi các lỗ đen siêu lớn cư trú tại trung tâm của các thiên hà, điều mà chưa có kính thiên văn nào trước đây nhìn thấy. “Lần đầu tiên chúng tôi có thể nhìn vào những vùng tối rất sâu này,” nói Cáo Ori, một nhà thiên văn học tại Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu về quá trình chuyển đổi.
Quá độ, giống như các hiện tượng thiên văn khác, được thiết lập để xác định lại. Sau nhiều thập kỷ lên kế hoạch và xây dựng, JWST đã thành công. Vấn đề hiện nay đang theo kịp với làn sóng khoa học liên tục xuất phát từ một cỗ máy phức tạp nhưng không lỗi lầm, nó gần như thách thức niềm tin rằng nó được tạo ra bởi bộ não con người. “Nó đang hoạt động, và nó thật điên rồ,” Larson nói.
