Teleskop Jamesa Webba – pierwszy rok

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zakończył niedawno pierwszy rok funkcjonowania. Z tej okazji NASA udostępniła niezwykłe zdjęcie kompleksu Rho Ophiuchi, który zawiera najbliższy nam region powstawania gwiazd. Pierwszy rok działalności teleskopu okazał się być dużym sukcesem, przekraczającym oczekiwania. Według NASA dostarczył astronomom i naukowcom niesamowitych zdjęć i danych do analizy. Nowe informacje już zmieniły nasze rozumienie wszechświata i pozwoliły naukowcom zagłębić się w czeluście kosmosu w niewyobrażalny sposób.

„Kariera” Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba rozpoczęła się od pierwszych zdjęć tysięcy galaktyk w grupie o nazwie SMACS 0723. Teleskop o wartości 10 miliardów dolarów, cud inżynierii, którego zaprojektowanie i zbudowanie zajęło ponad dwie dekady, przesłał pierwsze obrazy wszechświata 12 lipca 2022 roku. Od tego czasu wykonał on zapierające dech w piersiach ujęcia odległych galaktyk, badał atmosfery planet poza Układem Słonecznym, ale również dostarczył nam bardzo szczegółowe zdjęcia planet z naszego podwórka. NASA, udostępniając zdjęcia z Teleskopu Jamesa Webba w mediach społecznościowych, wyraziła podekscytowanie przyszłością. Wierzymy, że niesamowite możliwości teleskopu i dotychczasowe sukcesy pozwalają z nadzieją i ekscytacją patrzeć w przyszłość. Aby w skrócie podsumować pierwszą historyczną rocznicę, spójrzmy na niektóre z najbardziej intrygujących odkryć i obrazów Teleskopu Webba.

Pierwsze „Głębokie Pole Webba”

Pierwszą obserwacją Webba było najbardziej szczegółowe zdjęcie głębokiego wszechświata w podczerwieni, jakie kiedykolwiek stworzono. Gromada galaktyk SMACS 0723, przedstawiona na „pierwszym głębokim polu”, obfituje w niezliczone galaktyki. Zdjęcie uchwyciło obszar wielkości ziarnka piasku trzymanego na wyciągnięcie ręki, przedstawiając jedynie maleńką część ogromnego wszechświata. Światło z jednej galaktyki podróżowało przez 13,1 miliarda lat, zanim zostało przechwycone przez lustra teleskopu Webba. Wcześniej zdjęcie tego obszaru zostało zarejestrowane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a, ale jego wykonanie zajęło tygodnie, podczas gdy Webb wykonał je w zaledwie 12,5 godziny.

Zdjęcie zostało wykonane za pomocą kamery bliskiej podczerwieni Webba (NIRCam) i jest kompozycją wykonaną z obrazów o różnych długościach fal. Prezydent USA Joe Biden opublikował ten obraz, znany jako Pierwsze Głębokie Pole Webba, podczas konferencji prasowej w Białym Domu w poniedziałek, 11 lipca. “Te obrazy przypomną światu, że Ameryka może dokonać wielkich rzeczy i przypomną Amerykanom, zwłaszcza naszym dzieciom, że nie ma nic ponad nasze możliwości” – zauważył prezydent.

Najdalsza aktywna supermasywna czarna dziura

Odkrycie najodleglejszej jak dotąd aktywnej supermasywnej czarnej dziury było możliwe właśnie dzięki JWST. Ten kosmiczny potwór czai się w sercu galaktyki CEERS 1019, która istniała już zaledwie 570 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Czarna dziura waży około dziewięć milionów mas Słońca i jest uważana za niezwykle małą, biorąc pod uwagę jej powstanie we wczesnym wszechświecie (zwykle takie ciała przekraczają 1 mld mas Słońca). Choćby dlatego obiekt był tak trudny do wykrycia. Czarna dziura w CEERS 1019 jest podobna do czarnej dziury w centrum naszej Drogi Mlecznej, która ma masę 4,6 miliona razy większą od Słońca.

Odkrycia dokonano w ramach przeglądu CEERS (the Cosmic Evolution Early Release Science) kierowanego przez Stevena Finkelsteina (University of Texas, USA). CEERS dotyczy przeglądu obserwacyjnego fragmentu nieba 100 minut kwadratowych w gwiazdozbiorze Wolarza. Galaktyka została odkryta już w lipcu 2015 roku z pomocą Teleskopu Hubble’a. Wówczas była to najstarsza znana nam galaktyka, ale w kolejnych latach rekord ten został pobity. Mimo to, gdy Kosmiczny Teleskop Webba zaczął już działać, astronomowie skierowali go właśnie w stronę CEERS 1019. Jest ona stosunkowo jasna i dlatego pozostaje dobrym obiektem do obserwacji.

Pierwsza egzoplaneta Webba

11 stycznia 2023 roku, NASA poinformowała o odkryciu przez Webba pierwszej egzoplanety – LHS 475 b, znajdującej się 41 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Oktanta. Okazało się, że jest to planeta niemal dokładnie wielkości Ziemi. Naukowcy wybrali cel swoich obserwacji po dokładnej analizie obiektów z amerykańskiego obserwatorium kosmicznego Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Obserwacje wykonane przez TESS sugerowały, że gwiazda LHS 475 może mieć planetę, ale potrzebne były dodatkowe obserwacje, aby to potwierdzić. Do uzyskania wyników wykorzystano spektrograf bliskiej podczerwieni NIRSpec.

Astronomowie z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory podjęli próbę zbadania warunków atmosferycznych tej egzoplanety. Teleskop o wysokiej czułości wykrył różne cząsteczki w atmosferze, ale naukowcy nie byli w stanie jednoznacznie określić, czy egzoplaneta w ogóle posiada atmosferę, czy nie. Na razie Webb dostarczył zbyt małej ilości danych. Pozwolił natomiast stwierdzić, że powierzchnia planety jest o kilkaset stopni cieplejsza, niż powierzchnia Ziemi. Jeśli wykryjemy chmury, będzie można przypuszczać, że LHS 475 b jest podobna do Wenus. Wiemy również, że planeta obiega swoją gwiazdę w ciągu zaledwie dwóch dni. Jest więc bliżej gwiazdy, niż Merkury Słońca, jednak jej gwiazda to czerwony karzeł dwukrotnie chłodniejszy od Słońca, zatem naukowcy spodziewają się, że mimo niewielkiej odległości od gwiazdy planeta może posiadać atmosferę.

Najstarsze złożone związki organiczne

Dzięki wyspecjalizowanym instrumentom, JWST był w stanie odkryć złożone związki chemiczne w galaktyce oddalonej o 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Galaktyka SPT0418-47 powstała, gdy Wszechświat miał zaledwie 1,5 miliarda lat (mniej niż 10 procent obecnego wieku). Webb zidentyfikował obecność cząsteczek znanych jako wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH – skrót od ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Związki te można znaleźć w złożach ropy i węgla na naszej planecie (a nawet w dymie i sadzy). Cząsteczki organiczne są trudne do wykrycia w w tak odległej galaktyce, ponieważ są w dużej mierze zamaskowane przez kosmiczny pył. Jednak obraz w podczerwieni Webba i soczewkowanie grawitacyjne pozwoliły teleskopowi zebrać ten unikalny zestaw danych. 

Odkrycie molekuł PAH demonstruje zdolności Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do analizy skomplikowanych związków chemicznych, które ściśle powiązane z narodzinami gwiazd nawet we wczesnym Wszechświecie. Tego typu zaawansowane związki organiczne występują powszechnie w kosmosie, zazwyczaj w postaci większych skupisk materii. Jednym z powodów, dla których naukowcy ich poszukują, jest szczegółowe zbadanie aktywności wewnątrz galaktyk.

Wyjątkowy widok Saturna

W ciągu ostatniego roku Webb dostarczył również niezwykłych widoki planet w naszym Układzie Słonecznym. 25 czerwca 2023 roku otrzymaliśmy zdjęcie Saturna, drugiej co do wielkości planety Układu Słonecznego. Teleskop Webba obserwował Saturna przez 2,5 godz. i rejestrował dane za pomocą NIRSpec, czyli spektrografu bliskiej podczerwieni. Saturn w w tym zakresie fal wygląda na niezwykle ciemny obiekt – to dlatego, że znajdujący się w atmosferze metan pochłania prawie całe światło słoneczne. Pierścienie gazowego olbrzyma zbudowane są jednak ze skał i lodu, które w tej długości fal są stosunkowo jasne, co sprawia, że wydają się błyszczeć. Trzy niewielkie punkty na lewo od Saturna to jego księżyce – od góry: Dione, Enceladus i Tetyda.

Tytułowe zdjęcie zostało wykonane w ramach programu obserwacyjnego 1247, którego celem jest uzyskanie serii silnie naświetlonych zdjęć Saturna. Ekspozycje zostały wykonane aby przetestować możliwości teleskopu w zakresie detekcji słabych księżyców wokół tej planety oraz jasnych jego pierścieni. Każdy nowo-odkryty księżyc może pomóc astronomom stworzyć zarówno bardziej kompletny, aktualny obraz układu Saturna, jak i jego przeszłości.

Najstarsze włókna kosmicznej sieci

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pokazał istniejącą u zarania Wszechświata nić galaktyk – jeden z elementów wczesnej kosmicznej sieci, w którą dzisiaj układają się galaktyki. Gdybyśmy byli w stanie obejrzeć wszechświat w największej skali, zobaczylibyśmy, że materia widzialna rozkłada się w nim wzdłuż włókien gigantycznej pajęczyny. Owe włókna o długości kilkuset milionów lat świetlnych każde utkane są z gromad i supergromad galaktyk, a między włóknami znajdują się gigantyczne pustki, w których materii widzialnej praktycznie nie ma.

W tym przypadku mówimy o włóknie kosmicznej sieci widzianym w czasach kiedy wszechświat miał zaledwie 830 milionów lat. Samo włókno o długości około 3 milionów lat świetlnych składa się z dziesięciu galaktyk. Jedną z tych galaktyk jest bardzo jasny kwazar, czyli galaktyka, w której sercu znajduje się supermasywna czarna dziura aktywnie pochłaniająca olbrzymie ilości materii. Naukowcy podejrzewają, że w toku ewolucji wszechświata owo włókno zamieni się w jedną masywną gromadę galaktyk. Obserwacje były prowadzone w ramach programu ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era), którego główny cel to badania okolic najwcześniejszych czarnych dziur. W jego ramach astronomowie zamierzają przyjrzeć się 25 kwazarom istniejącym w czasie pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu – okresie znanym jako era rejonizacji.

Subtelne pierścienie Jowisza

Pod koniec lipca 2022 roku JWST skierował swoje potężne zwierciadło w kierunku Jowisza, największej planety Układu Słonecznego. Dzięki temu, że teleskop obserwuje wszechświat w paśmie podczerwonym dostaliśmy okazję, aby spojrzeć na Jowisza nieco inaczej niż dotychczas. Na zdjęciu widać doskonale nawet drobne szczegóły krawędzi poszczególnych pasm fal, zawirowań i pełnowymiarowych wirów, na które podzielony jest Jowisz. Oprócz ogromnej burzy zwanej Wielką Czerwoną Plamą widoczne są tu również liczne inne układy burzowe. Widać je jako małe, blade owale oraz maleńkie, jasne pióropusze złożone z cząsteczek chmur jowiszowych.  Na obu biegunach planety widać także charakterystyczne dla Jowisza zorze. W prawej, dolnej części tarczy planety widać największy antycyklon w Układzie Słonecznym, czyli Wielką Czerwoną Plamę.

Warto także zauważyć, że zdjęcie przedstawia nie tylko samego Jowisza, ale także dwa jego księżyce – Amalteę (200 km średnicy) oraz Adrasteę (20 km średnicy), które widoczne są w tej samej płaszczyźnie co niezwykle cienkie i delikatnie pierścienie planety. Rozmyte plamy w dolnym tle to prawdopodobnie galaktyki “fotobombujące” widok Jowisza.

Zbliżenie na Tarantulę

We wrześniu 2022 roku Webb zajrzał do zapylonego obszaru zwanego Mgławicą Tarantula. Znajdująca się w odległości zaledwie 161 tysięcy l.św. od nas, w Wielkim Obłoku Magellana, Mgławica Tarantula jest największym i najjaśniejszym znanym obszarem gwiazdotwórczym w Lokalnej Grupie Galaktyk, w której skład wchodzi również nasza Droga Mleczna. Ta mgławica liczy około 650 l.św. średnicy i jest najbardziej aktywnym obszarem gwiazdotwórczym w naszej grupie galaktyk, zawierającym niezliczone obłoki pyłowo-gazowe oraz dwie jasne gromady gwiazdowe. Tysiące masywnych gwiazd w centrum mgławicy 30 Doradus wydmuchuje materię i generuje silne promieniowanie wraz z potężnymi wiatrami gwiazdowymi. W Tarantuli odkryto materię gazową nagrzaną do milionów stopni przez te wiatry gwiazdowe, jak również przez wybuchy supernowych.

Astronomowie obserwowali Mgławicę Tarantula za pomocą trzech instrumentów współpracujących z Teleskopem Webba (NIRCam + NIRSpec + MIRI). W efekcie otrzymaliśmy obraz wykonany z niespotykaną do tej pory rozdzielczością, na którym widać miejsce powstawania młodych gwiazd. Najbardziej aktywny obszar to gromada młodych gwiazd masywnych, które skrzą się na niebiesko w centrum zdjęcia. Dalej od centralnego obszaru Mgławicy Tarantula gaz przyjmuje kolor rdzawy, który tutaj oznacza, że mgławica jest bogata w związki węglowodorowe. Ten gęsty gaz jest materiałem, z którego w przyszłości powstaną gwiazdy.

Niezwykła gwiazda Wolfa-Rayeta 

Jedną z pierwszych obserwacji wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w czerwcu 2022 roku była gwiazda WR 124. Na zaawansowanym etapie ewolucji, gwiazdy Wolfa-Rayeta tracą masę w niezwykle szybkim tempie. Jednak nie wszystkie gwiazdy przechodzą przez tę krótką fazę, co utrudnia ich wykrycie i zbadanie. Instrumenty Teleskopu Webba były w stanie uchwycić ten moment dla gwiazdy znajdującej się w gwiazdozbiorze Strzały, około 15.000 lat świetlnych od nas. Wokół gwiazdy widzimy spektakularną wizualnie, rozciągającą się na obszarze 10 lat świetlnych mgławicę M1-67, której kształt przywodzi na myśli gigantyczne, kosmiczne fajerwerki. 

Obiekt ten jest wyjątkowo niestabilny, sprawiając wrażenie, jakby już przeszedł eksplozję; w rzeczywistości sam wybuch jest stopowany przez potężny wiatr gwiazdowy, który poruszając się z prędkością 160 tys. km/h wyrywa z powierzchni gwiazdy ogromne obłoki materii o długości sięgającej nawet 160 mld km. Astronomowie uważają, że takie umierające gwiazdy prawdopodobnie dostarczyły młodemu Wszechświatowi ciężkich pierwiastków, które ostatecznie doprowadziły do powstania nowych gwiazd.

Pas planetoid poza Układem Słonecznym

W maju 2023 roku Webb zbadał wewnętrzną strukturę pierwszego pasa asteroid odkrytego poza naszym Układem Słonecznym. Masywne pasy pyłu utworzyły się wokół pobliskiej młodej, jasnej gwiazdy Fomalhaut, najjaśniejszej gwiazdy w konstelacji Ryby Południowej. Należący do NASA satelita astronomiczny na podczerwień (IRAS) odkrył tajemniczą strukturę pierścieniową otaczającą Fomalhaut już w 1983 roku. 

Zdjęcie z Teleskopu Webba prezentuje układ planetarny z trzema koncentrycznymi pierścieniami pyłowymi. Najprawdopodobniej te struktury są kształtowane przez siły grawitacyjne pochodzące od zanurzonych wewnątrz, niewidocznych planet. Podobnie jest w naszym Układzie Słonecznym, gdzie planetoidy są „zaganiane” do pasa przestrzeni pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Ku zaskoczeniu astronomów, struktury pyłowe są bardziej złożone niż znany nam w Układzie Słonecznym pas planetoid oraz pas Kuipera. Na tym zdjęciu widać trzy zagnieżdżone, koncentryczne pasy rozciągające się aż do ok. 23 miliardów km (150 j.a). Najbardziej zewnętrzny pas jest około dwukrotnie dalej niż pas Kuipera w naszym Układzie Słonecznym. Wcześniej, przed Teleskopem Webba, najbardziej zewnętrzny pas wokół Fomalhaut był obserwowany zarówno przez teleskopy orbitalne (Kosmiczny Teleskop Hubble’a, Kosmiczne Obserwatorium Herschela), jak i naziemne (ALMA). Jednak żaden z tych teleskopów nie zaobserwował struktur wewnątrz tego pasa. Wewnętrzne dwa pasy stały się widoczne po raz pierwszy dopiero na zdjęciach w podczerwieni z Teleskopu Webba.

Wizualne wyróżnienia

552 views