Na zdjęciu gromady galaktyk El Gordo (tzn. „Grubas” po hiszpańsku) wykonanym przez Teleskop Webba astronomom udało się dojrzeć najbardziej odległego obecnie kandydata na czerwonego nadolbrzyma – z okresu, gdy Wszechświat liczył około 3,1 miliarda lat (z=2,19). Tą gwiazdę nazwano po prostu „Gwiazdą”, czyli Quyllur w języku keczua. Jako dowód pokazano porównanie widma Quyllur z modelami widm czerwonych nadolbrzymów. Ale nawet Webb nie dałby rady zaobserwować Quyllur, gdyby nie pewne zjawisko fizyczne.
Czerwone nadolbrzymy są późnymi etapami życia gwiazd masywnych o początkowych masach od około 7-8 do 40 mas Słońca. Posiadają one największe średnice ze wszystkich znanych gwiazd – aczkolwiek nie są najmasywniejsze i najjaśniejsze. W Drodze Mlecznej najjaśniejsze i najbardziej znane czerwone nadolbrzymy to gwiazdy Betelgeza i Antares.
Astronomowie klasyfikują te gwiazdy jako typy widmowe K lub M, czyli gwiazdy posiadające temperatury powierzchniowe poniżej 4100 K. Są to więc obiekty bardzo chłodne jak na gwiazdy i dlatego świecą w barwie czerwonej. Jednak najwięcej promieniowania emitują w bliskiej podczerwieni.
Quyllur widać tylko dzięki kosmicznej „lupce”
Zdjęcie gromady galaktyk El Gordo zostało wykonane przez Teleskop Webba w ramach czasu obserwacyjnego grupy badawczej PEARLS (skrót z j.ang. Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science), która wykorzystuje zjawisko soczewkowania grawitacyjnego do obserwacji najdalszych obiektów we Wszechświecie. Bardziej szczegółowy opis zdjęcia gromady El Gordo można znaleźć na portalu Urania.
W obrazie jednej z galaktyk tła, który jest zniekształcony przez soczewkowanie grawitacyjne El Gordo, astronomowie szczegółowo przeanalizowali jasną plamkę (poniższe zdjęcie - górny panel, pomiędzy punktami 23.1a i 23.1b). Ten obiekt okazał się kandydatem na gwiazdę typu czerwony nadolbrzym i został nazwany Quyllur („Gwiazda” w języku keczua). Wyniki tych badań zostały opublikowane w czasopiśmie astronomicznym Astronomy & Astrophysics. Dostęp do tej publikacji jest otwarty.
Na ilustracji: Zdjęcie gromady galaktyk El Gordo („Grubas” w j. hiszpańskim) z połączonych obrazów wykonanych przez Teleskop Hubble’a oraz Teleskop Webba (filtry w zakresie długości fali od λ~0,5 μm do ~5 μm). W obrazie galaktyki tła zniekształconym przez soczewkowanie grawitacyjne El Gordo, pomiędzy punktami oznaczonymi w górnym panelu jako 23.1a i 23.1b, znajduje się Quyllur, który jest najdalszym zaobserwowanym kandydatem na czerwonego nadolbrzyma. W górnym panelu białymi okręgami zaznaczono obiekty, które mają potwierdzenie spektroskopowe, zaś w dolnym panelu w żółtych okręgach zaznaczono kandydatów odkrytych ostatnio przez Teleskop Webba. Źródło (CC BY 4.0): Diego, J. M., i inni A&A 672, A3 (2023)
To odkrycie było możliwe tylko dzięki dodatkowemu wzmocnieniu > 4000 razy światła Quyllur przez soczewkowanie grawitacyjne znajdującej się bliżej od nas gromady galaktyk zwanej „Grubas” (z=0,87). Pozwoliło to zaobserwować Quyllur będący faktycznie obiektem słabszym o ponad 9 magnitudo – gdyby pominąć efekt soczewkowania grawitacyjnego.
Na przykład w omawianej publikacji autorzy wyznaczyli dla obserwowanej (… „kosmologicznej” → z=2,19) długości fali λ=3,6 μm, że Quyllur posiada jasność obserwowaną 25,5 magnitudo (ilustruje to poniższy rysunek z widmem Quyllur) - co odpowiada jasności bez soczewkowania grawitacyjnego słabszej niż 34,5 magnitudo.
Natomiast po przeliczeniu do laboratoryjnej długości fali λ=1,1 μm jasność absolutna Quyllur wynosi -10,5 magnitudo (nadolbrzym typu widmowego M2-M4) – o ile uwzględnieni się moduł odległości ∼45 magnitudo i w zależności od wzmocnienia jasności Qyullur przez soczewkowanie.
Bez soczewkowania grawitacyjnego jasność obserwowana Quyllur ~34,5 magnitudo jest „praktycznie nieosiągalna” nawet dla Webba. Tzn. zdjęcie gromady galaktyk El Gordo było naświetlane od około 1900 do 2500 sekund w różnych barwach w bliskiej podczerwieni (filtry od λ=0,90 μm do λ=4,44 μm). Teoretycznie, aby zebrać podobną ilość fotonów we wspomnianych barwach bez wzmocnienia światła Quyllur ~4000 razy w wyniku soczewkowania grawitacyjnego, należałoby porównywalnie do wzmocnienia wydłużyć czas obserwacji tego fragmentu nieba do miesięcy (kto zapewni taki czas obserwacyjny na „bezcennym” Teleskopie Webba zbudowanym za niecałe 10 miliardów dolarów?).
Wzmocnienie, kaustyki, krzywe krytyczne - czyli podstawowe pojęcia soczewkowania grawitacyjnego
Soczewkowanie grawitacyjne jest zjawiskiem zakrzywienia promieni świetlnych przez masywne obiekty-soczewki grawitacyjne takie, jak np. galaktyki / gromady galaktyk. Prowadzi to do ogniskowania/skupienia światła ciał niebieskich (np. galaktyk tła), które znajdują się za soczewką grawitacyjną - podobnie jak w szklanych soczewkach.
Soczewkowanie grawitacyjne powoduje pojawienie się dodatkowych obrazów tych samych ciał niebieskich oraz przed wszystkim wzmocnienie jasności źródła światła („powiększenie”).
Na przykład Teleskop Webba zaobserwował Quyllur z filtrze o średniej długości fali λ=3,6 μm, jako obiekt o jasności 25,5 magnitudo (ilustruje to poniższy rysunek), ale gdyby pominąć efekt soczewkowania grawitacyjnego, to Quyllur stałaby się obiektem o jasności rzędu 34,5 magnitudo (pomijamy wzmocnienie światła Quyllur >4000 razy → widać obiekty słabsze o dodatkowe ponad 9 magnitudo).
Na zdjęciach publikowanych w literaturze astronomicznej, na których widać efekt soczewkowania grawitacyjnego, są pokazane pewne linie krzywe z informacją, że jest to kaustyka lub krzywa krytyczna (przykład: ilustracja tytułowa → dolny panel → krzywe krytyczne w kolorach niebieskim, zielonym i czerwonym dla różnych modeli soczewkowania grawitacyjnego).
Warto wiedzieć, że „krzywe krytyczne” znajdują się w płaszczyźnie soczewki grawitacyjnej, zaś w płaszczyźnie obrazu odpowiadają im krzywe zwanymi „kaustykami”.
Oba rodzaje krzywych są bardzo istotne dla zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, ponieważ im bliżej kaustyki znajduje się źródło światła, tym większe obserwujemy jego wzmocnienie.
Więcej ciekawych informacji na ten temat można znaleźć w języku polskim w pracy doktorskiej J. Skowrona (UW). W szczególności we wskazanej publikacji jako polski odpowiednik angielskiego „magnification” konsekwentnie używa się „wzmocnienie” zamiast (… wydawałoby się bardziej oczywistego dla laików ...) „powiększenie”.
„Wzmocnienie”, jako tłumaczenie angielskiego słowa „magnification” jest stosowana również w niniejszym materiale.
Widmo - dowód w sprawie … (Quyllur to czerwonym nadolbrzym?)
Na ilustracji: Rozkład energii promieniowania w widmie dla obiektu Quyllur w porównaniu z modelami gwiazd. Czarne kropki reprezentują obserwowane wielkości gwiazdowe Quyllur dla średnich długości fali λ filtrów F090W … F444W (λλ~0,9μm … 4,44μm) Teleskopu Webba, których względne krzywe czułości są pokazane w górnej części rysunku.
Kolorowe krzywe: niebieska, zielona i pomarańczowa w dolnej części rysunku (tutaj oś pionowa „AB mag”, to obserwowane przez Webba jasności w różnych barwach) przedstawiają rozkłady energii w widmie dla modeli gwiazd o temperaturach odpowiednio 3600 K, 3500 K i 3400 K, w których uwzględniono kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni z=2,19 oraz wzmocnienie jasności µ = 20 tysięcy razy przez soczewkowanie grawitacyjne gromady galaktyk El Gordo. Kwadratami oznaczono oczekiwany strumień promieniowania w filtrach Teleskopu Webba dla gwiazdy o temperaturze 3500 K i dzielności promieniowania zbliżonej do Betelgezy, czyli ~105,1Lʘ. Widmo gwiazdy o porównywalnej temperaturze, ale kilkakrotnie jaśniejszej (np. jasny czerwony nadolbrzym UY Scuti) wymagałoby wzmocnienia jasności µ mniejszego niż 10 tysięcy razy. Źródło (CC BY 4.0): Diego, J. M., i inni A&A 672, A3 (2023)
Wcześniej Teleskop Hubble’a już odkrywał gwiazdy w odległościach kosmologicznych takie jak np. Earendel (z=6,2), Godzilla (z=2,37) czy Ikar (z=1,49), ale okazywały się one niebieskimi nadolbrzymami. Quyllur jest pierwszym kandydatem na czerwonego nadolbrzyma, odkrytym w odległości większej niż miliard l.św. od nas.
Astronomowie uważają, że czerwone nadolbrzymy o dużych kosmologicznych przesunięciach ku czerwieni „z” będą odkrywane w większej liczbie dzięki wykorzystaniu niezwykłej czułości Teleskopu Webba oraz filtrów w zakresie podczerwonym.
Jeśli Quyllur faktycznie okaże się czerwonym nadolbrzymem to:
• Będzie to pierwszy z wielu czerwonych nadolbrzymów, które zostaną odkryte w przyszłości. Do tej pory wszystkie gwiazdy odkrywane na zdjęciach z soczewkowaniem grawitacyjnym w pobliżu krzywych zwanych „kaustykami” gorącymi i niebieskimi gwiazdami (na obrazie z soczewkowaniem grawitacyjnym im bliżej kaustyki znajduje się źródło światła, tym większe obserwujemy jego wzmocnienie!). Częściowo jest to efekt selekcji obserwacyjnej, ponieważ dla dużych wartości kosmologicznych przesunięć ku czerwieni „z” chłodne gwiazdy takie jak czerwone nadolbrzymy promieniowały większość swojego światła w długościach fali „λ” w bliskiej podczerwieni - poza zakresem czułości Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Z kolei Teleskop Webba jest najbardziej czuły na ten zakres promieniowania, ale dodatkowo jest efekt selekcyjny związany z tym, że czerwone nadolbrzymy rzadziej występują w porównaniu do niebieskich nadolbrzymów, ponieważ ta faza ewolucji gwiazd masywnych trwa krócej.
• Potencjalnie otwiera się ciekawa perspektywa użycia w astronomii nowego rodzaju standardowej świecy do pomiarów odległości do ciał niebieskich o kosmologicznych przesunięciach ku czerwieni z = 1 i większych (czyli mniej niż ~6 miliardów lat po Wielkim Wybuchu) – detekcja przy dużych wzmocnieniach jasności w wyniku soczewkowania grawitacyjnego czerwonych olbrzymów („kuzynowie” czerwonych nadolbrzymów o mniejszej masie i jasności) w konkretnej fazie ewolucyjnej – na końcu gałęzi czerwony olbrzymów TRGB (Tip of the Red-Giant Branch) na diagramie Hertzsprunga-Russella. Czerwone olbrzymy w tej fazie ewolucyjnej są powszechnie używane jako „linijki” do pomiaru odległości w bliskiej nam okolicy Wszechświata.
Na koniec trochę poezji
Nawiązując do historii Inków, w omawianej tutaj publikacji „dość poetycko” uzasadniono nadanie nazwy Quyllur, która oznacza w języku keczua gwiazdę. Język keczua był używany przez Inków przed przybyciem Europejczyków i nadal mówią nim miliony ludzi w różnych częściach Ameryki Południowej. Podobnie jak imperium Inków, gwiazda Quyllur znikła już „wieki temu”. Ale podobnie jak język keczua, który nadal żyje - światło Quyllur nie umarło i nadal przemierza Wszechświat.
Piękne tak sobie o tym pomyśleć!
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacje naukowa:
JWST’s PEARLS: A new lens model for ACT-CL J0102−4915, “El Gordo,” and the first red supergiant star at cosmological distances discovered by JWST
Portal Urania:
Teleskop Webba ujawnił detale dalekiego Wszechświata z pomocą Grubasa
Hubble znalazł najodleglejszą gwiazdę, jaką kiedykolwiek widziano
Ikar, najodleglejsza jak dotąd odkryta samotna gwiazda
Record Broken: Hubble Spots Farthest Star Ever Seen
Praca doktorska w j. polskim o soczewkowaniu grawitacyjnym – J. Skowron (2009): Analiza niestandardowych zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego gwiazd Galaktyki
Źródło: NASA, ESA, CSA
Na ilustracji: Zdjęcie w podczerwieni z Teleskopu Webba prezentuje ekstremalnie powiększony przez soczewkowanie grawitacyjne obraz kandydata na czerwonego nadolbrzyma zaznaczonego w białym okręgu, który nazwano Quyllur - co w języku keczua oznacza gwiazdę.
W górnym panelu widać zdjęcie wykonane teleskopem Webba,, na którym kolory niebieski / zielony / czerwony odpowiadają filtrom o średnich długościach fali odpowiednio λ = 1,15 / 2,00 / 3,56 μm.
Natomiast w dolnym panelu zaprezentowano wersję ww. trzech barw, które są kompromisową mieszanką kolorów ze zdjęć z Teleskopu Hubble’a oraz Webba, a krzywe w kolorach niebieskim, zielonym i czerwonym reprezentują tzw. „krzywe krytyczne” dla różnych modeli soczewkowania grawitacyjnego.
Warto wiedzieć, że krzywe krytyczne znajdują się w płaszczyźnie soczewki grawitacyjnej, zaś w płaszczyźnie obrazu odpowiadają im krzywe zwanymi „kaustykami”. Oba rodzaje krzywych są bardzo istotne dla zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, ponieważ im bliżej kaustyki znajduje się źródło światła, tym większe obserwujemy jego wzmocnienie. Źródło (CC BY 4.0): Diego, J. M., i inni A&A 672, A3 (2023)
