Astronomowie analizują pierwsze dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i snują z nich pierwsze zaskakujące wnioski na temat najodleglejszych galaktyk.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozpoczął w czerwcu naukowe obserwacje. 12 lipca 2022 r. przedstawiono pierwsze „pokazowe” obrazy i dane, ujawniające, jak wielki postęp w obserwacjach naukowych zostanie dokonany za sprawą nowego kosmicznego obserwatorium.
Naukowców cieszą przede wszystkim możliwości obserwacji w zakresie średniej podczerwieni (falach światła o długości 5-25 μm). Jedynie niewielki ułamek światła tego zakresu dociera na Ziemię (większość pochłania atmosfera). Dlatego w takich obserwacjach kluczowe jest używanie kosmicznych teleskopów ze schłodzonymi do niemal zera bezwzględnego detektorami.
W kosmos latały wcześniej teleskopy obserwujące w głębszej podczerwieni takie jak ISO, Spitzer czy Akari. Były jednak ograniczone zdolnością rozdzielczą, gdyż ich lustra nie przekraczały średnicy 1 m. JWST nie dość, że posiada najbardziej technologicznie rozwinięte detektory, to cechuje się ponad 6-metrową aperturą, co wprowadza na zupełnie nowy poziom szczegółowość uzyskiwanych obrazów.
Dobrym przykładem jest porównanie, które ukazało się na stronie „Nature”. Zestawione w nim zostały obrazy gęstego w gwiazdy fragmentu Wielkiego Obłoku Magellana uzyskane kolejno z teleskopów: WISE, Spitzer i JWST:
Źródło: NASA/Andras Gaspar/Uniwersytet w Arizonie.
Z pierwszych obserwacji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba można wysnuć zaskakujące wnioski dotyczące wczesnych galaktyk, powstałych we Wszechświecie zaledwie paręset milionów lat po Wielkim Wybuchu.
W poszukiwaniu najdalszej galaktyki
Na portalach gromadzących przeddruki astrofizycznych artykułów naukowych można zaobserwować wyścig naukowców w odnalezieniu w obrazach z JWST najodleglejszej galaktyki. Jest już wiele takich kandydatów, które będą musiały być jeszcze zweryfikowane w dalszych badaniach, ale każda z nich już bije dotychczasowy rekord – galaktykę GN-z11 odkrytą za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, powstałą około 400 mln lat po Wielkim Wybuchu (dalej WW).
Galaktyka GN-z11 otoczona czerwonym okręgiem w zdjęciu z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Źródło: Hubble/ApJ.
Jeden z kandydatów to galaktyka odkryta w przeglądzie GLASS. Ma ona współczynnik z przesunięcia ku czerwieni wynoszący 13, obserwujemy ją więc taką jaka była 280 mln lat po Wielkim Wybuchu (WW).
Dwie galaktyki znalezione w przeglądzie GLASS z początkowych danych obserwacyjnych teleskopu JWST. Jedna z nich jest zarejestrowana w czasie 300 mln lat po Wielkim Wybuchu. Źródło: JWST GLASS/NASA/CSA/ESA/STScl/Pascal Oesch/Uniwersytet w Genewie.
Przesunięcie ku czerwieni
Zjawisko fizyczne polegające na przesunięciu linii widmowych promieniowania pochodzącego z gwiazd/galaktyk w kierunku dłuższych fal m.in. w wyniku rozszerzania się wszechświata. Im większe przesunięcie ku czerwieni tym na odleglejszy obiekt patrzymy. Współczynnik z, który określa stopień przesunięcia to pomniejszony o 1 stosunek długości fali odebranej do długości fali emitowanej przez oddalające się źródło światła.
Inny projekt obserwacyjny CEERS zaobserwował w zdjęciach Webba galaktykę o współczynniku przesunięcia wynoszącym 14. Galaktykę nieoficjalnie nazwano Galaktyką Maisie (od imienia córki głównego naukowca projektu). Jeszcze inne badanie przeanalizowało pierwsze upublicznione zdjęcie (tzw. Pierwsze Głębokie Pole Webba) i na nim wychwyciło dwie potencjalne galaktyki o przesunięciach 16, czyli obserwowane 250 mln lat po WW.
Galaktyka Maisie. Kandydat na jedną z najodleglejszych galaktyk znalezionych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Źródło: Steven Finkelstein/UT Austin/CEERS/JWST/NASA/ESA/CSA.
Zaskakująca złożoność wczesnych galaktyk
Z Pierwszego Głębokiego Pola Webba naukowcy wysnuli też inne zaskakujące wnioski. Jedno z badań wskazuje, że bardzo duża ilość odległych galaktyk ma kształt dysków. Wcześniejsze obserwacje używające Hubble’a skłaniały do myślenia, że te najdalsze galaktyki są bardziej nieregularne w kształcie, a dopiero późniejsza ewolucja pozwoliła na stworzenie regularnych struktur jak np. spłaszczony dysk z ramionami w naszej Drodze Mlecznej.
Naukowcy tłumaczyli nieregularność kształtów tym, że wczesne galaktyki były bardziej zniekształcane przez inne sąsiadujące galaktyki. Teraz okazuje się, że jest nawet 10 razy więcej regularnie ukształtowanych odległych galaktyk niż wcześniej przewidywano. Dużo zmieni się w rozumieniu wczesnej ewolucji galaktyk już dzięki tym pierwszym obserwacjom.
Pierwsze Głębokie Pole Webba. Pierwsze zdjęcie naukowe opublikowane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Źródło: NASA/ESA/CSA/STScl.
Kolejną zmianę w myśleniu o wczesnych galaktykach może przynieść inna praca naukowców z Melbourne, którzy w oparciu o przegląd CEERS znaleźli, że w dalekich odległościach da się zobaczyć też masywne galaktyki. Okazuje się, że niektóre bardzo duże skupiska gwiazd w galaktykach uformowały się niezwykle wcześnie w historii Wszechświata, nawet zaledwie 500 mln lat po WW.
Inne badanie pokazuje, że w dalekich galaktykach o wsp. przesunięcia ku czerwieni powyżej 5 w składzie chemicznym znajduje się zaskakująco dużo tlenu. To oznacza, że już w tych wczesnych, pierwszych galaktykach w procesach w gwiazdach dochodziło do fuzji wodoru i helu, która tworzyła cięższe pierwiastki.
Galaktyk jest dużo
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może spojrzeć dalej niż wcześniejsze wielkie kosmiczne obserwatoria, a więc może cofnąć się jeszcze bardziej w czasie niż na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Naukowcy w jednej z prac już podsumowali pierwsze obserwacje JWST odległych galaktyk i przeanalizowali tempo formowania się gwiazd we wczesnym Wszechświecie. Przy okazji pracy znaleziono 44 nowe galaktyki, niektóre z nich z czasu 300 mln lat po WW.
11 już znanych galaktyk w wybranym obszarze plus teraz 44 nowe pokazują, że w bardzo wczesnym Wszechświecie było już sporo galaktyk, w których powstawały pierwsze generacje gwiazd. A te obserwacje to dopiero przedsmak badań najodleglejszych obiektów.
Bliższe galaktyki mniejsze niż przewidywano
Już widać, że JWST wywróci wiele poglądów na ewolucję galaktyk. Z pierwszych badań wynika, że Kosmiczny Teleskop Hubble’a mógł zawyżać rozmiary galaktyk obserwowanych w czasie około 3 mld lat po WW, kiedy według naukowców występował najintensywniejszy czas gwiazdotwórczy we Wszechświecie. Te same galaktyki widziane w nieco dalszej podczerwieni wyglądają na mniejsze, a do tej pory wydawało się że galaktyki tylko rosną z czasem. Na pewno jeszcze powstanie nie jeden artykuł naukowy analizujący ewolucję galaktyk na bazie danych z Webba.
Więcej informacji:
- Strona NASA poświęcona Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba
- First Images from the James Webb Space Telescope
- Four revelations from the Webb telescope about distant galaxies (Nature)
- A mid-infrared dream come true
Na podstawie: Nature/NASA/ESA
Opracowanie: Rafał Grabiański
Na zdjęciu tytułowym: Gromada galaktyk SMACS 0723 i soczewkowanie grawitacyjne. Zdjęcie w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI.
