Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba z pomocą spektrografu NIRSpec zaobserwował w bliskiej podczerwieni widmo wybranej protogwiazdy w Mgławicy Tarantula w barwach (długościach fali λ) neutralnego wodoru (λ=1,87µm), molekularnego wodoru (λ=2,12µm) oraz pyłu węglowodorowego (λ=1,87µm). Astronomowie wykorzystują takie obserwacje, aby wyznaczyć skład chemiczny protogwiazdy i otaczającego ją obłoku. Ta informacja spektralna pozwoli określić również wiek mgławicy oraz to, ile pokoleń protogwiazd w niej powstało.
Spojrzenie na jedną z protogwiazd w Mgławicy Tarantula
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może fotografować niebo w podczerwieni aż w 27 filtrach, które przepuszczają światło w zakresie długości fali λ od ~0,6 μm do ~30 μm (dla porównania ludzkie oko widzi fotony λ ~0,38-0,78 μm). Te filtry przepuszczają światło w dość szerokim zakresie od ~0,1 μm do nawet ~10 μm (szczegóły np. w „Kieszonkowym Przewodniku Teleskopu Webba Na Styczeń 2022”).
Zdjęcia tego samego ciała niebieskiego w różnych podczerwonych filtrach można połączyć w jeden obraz, przypisując barwy tęczy, do których jesteśmy przyzwyczajeni – od niebieskiego koloru dla światła podczerwonego, od najkrótszej długości fali λ, poprzez zieloną i żółta dla średnich λ, aż do czerwonej dla najdłuższych λ. Po wykonaniu obróbki zdjęcia takiej, jak wykonuje fotograf (np. dopasowanie balansu bieli, kontrastu, koloru), można uzyskać przepiękne zdjęcie fragmentu nieba w zmapowanych kolorach, którego przykład – Mgławicę Tarantula – widać poniżej.
Najnowsze zdjęcia obszaru gwiazdotwórczego zwanego Mgławicą Tarantula w bliskiej i średniej podczerwieni wykonane Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba zostały szerzej omówione na portalu Urania w informacji pt. „Webb złapał kosmiczną tarantulę”. Więcej informacji na temat tworzenia takich zdjęć można znaleźć również w bieżącym numerze American Scientific w artykule pt „Czy zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba są ”rzeczywiste”?”
W szczególności za pomocą kamery NIRCam uzyskano serię zdjęć w bliskiej podczerwieni, które poskładano w mozaikę zdjęć rozciągającą się na 340 l.św. i prezentującą Mgławicę Tarantula w nowym świetle. Widać tutaj dziesiątki tysięcy młodych gwiazd, których jeszcze nie odkryto, bo były schowane w obłokach pyłu międzygwiazdowego. Najbardziej aktywny obszar błyszczy się niebieskim odcieniem światła młodych gwiazd masywnych. Pomiędzy nimi widać również świecące na czerwono, jeszcze ukryte gwiazdy, które nadal wyłaniają się z kokonów pyłowych mgławicy. Kamera NIRCam potrafi zaobserwować te okryte pyłem gwiazdy dzięki bezprecedensowej rozdzielczości w bliskiej podczerwieni.
Mozaika zdjęć Mgławicy Tarantula w bliskiej podczerwieni, które zarejestrowała kamera NIRCam współpracująca z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Tutaj kolory zostały zmapowane następująco: niebieski – filtr F090W, zielony – F200W, pomarańczowy – F335W, czerwony – F444W, a w dole po prawej stronie pokazano odcinek odpowiadający 50 l.św. Z niespotykaną do tej pory rozdzielczością widać obszar powstawania młodych gwiazd, z których dziesiątki tysięcy jeszcze nie odkryto, bo były schowane w obłokach pyłu międzygwiazdowego. 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. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team
Bardziej zaawansowana ewolucyjnie gwiazda, która znajduje się w pobliżu środka zdjęcia–- na lewo do góry względem gromady młodych gwiazd masywnych – jest otoczona charakterystycznymi ośmioma promieniami dyfrakcyjnymi („spajkami”). Są to artefakty wynikające z konstrukcji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Przedłużając promień skierowany bezpośrednio do góry, można napotkać wyróżniający się bąbel w tej mgławicy. Mowa o strukturze zamkniętej w mniejszym z dwóch kwadratów zakreślonym białą linią o polu widzenia 3”x3” w poniższym fragmencie Mgławicy Tarantula, którego widmo zarejestrował spektrograf NIRSpec.
Przycięty fragment obrazu Mgławicy Tarantula w bliskiej podczerwieni, który zarejestrowała kamera NIRCam współpracująca z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. W mniejszym z dwóch kwadratów zakreślonym białą linią, zaznaczono orientacyjnie pole obserwacyjne 3x3 spektrografu NIRSpec z protogwiazdą. Rezultat obserwacji spektroskopowych pokazano na ilustracji tytułowej. Oprac na podstawie: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team
Spektrograf NIRSpec obserwuje wybraną protogwiazdę
Zdjęcia w podczerwieni pełne kolorów są piękne, jednak wiele fascynujących odkryć dokonano dzięki obserwacjom w bardzo wąskim zakresie widmowym z użyciem spektrografów, np. wybrane linie widmowe pierwiastków, molekuł lub nawet pyłu. Na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba znajduje się spektrograf NIRSpec, który pozwala zarejestrować dowolny fragment widma w bliskiej podczerwieni (λ → 0,6-5.0 µm). Spektrograf obserwował wybraną protogwiazdę, a rezultat tych obserwacji jest pokazany na tytułowej ilustracji.
Spektrograf NIRSpec w trybie IFU (skrót z j.ang. Integral Field Unit – moduł zintegrowanego pola) realizuje spektroskopię całego pola dla rozciągłych obiektów takich jak na przykład galaktyka lub protogwiazda z otaczającą mgławicą. W tym modzie pole widzenia spektrografu 3x3 jest „cięte” na paski o szerokości 0,1”, które następnie składane w długą szczelinę. Dzięki temu można uzyskać rozdzielone przestrzennie widma dużych obszarów i wykorzystać do pomiarów prędkości i kierunków ruchu w rozciągłych obiektach.
Ciekawe struktury właśnie powstającej gwiazdy zostały zarejestrowane w trzech różnych długościach fali i pokazane na tytułowej ilustracji. W barwie niebieskiej zobrazowano promieniowanie emitowane przez neutralne atomy wodoru λ = 1,87 µm, które pochodzi od centralnej protogwiazdy oraz otaczającego ją bąbla. Pomiędzy tymi obiektami widać światło λ = 2,12 µm, pochodzące od molekularnego wodoru H2 (obraz w kolorze zielonym) oraz ziaren pyłu węglowodorowego λ = 3,3 µm (obraz w kolorze czerwonym).
W modelu Bohra neutralnego atomu wodoru ciąg linii widmowych zwanych serią Lymana, Balmera, Paschena (itd.) powstaje w wyniku przejścia elektronu odpowiednio na orbital n=1, n=2, n=3 z wyższych. W szczególności promieniowanie elektromagnetyczne w linii widmowej Paschen alfa (λ=1,875µm=1875nm) obserwowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest emitowane podczas przejścia elektronu pomiędzy orbitalami n=4 i n=3. Źródło: Wikipedia
Linia widmowa o długości fali λ = 1,87 µm jest nazywana przez naukowców Paschen alfa (Pa-α) i w modelu atomu wodoru Bohra powstaje podczas przeskoku elektronu z orbitalu n = 4 na n = 3. Różnica energii jest wypromieniowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego w bliskiej podczerwieni. Podobne przejścia elektronu na orbital n = 3 z wyższych powodują emisję zbioru linii widmowych zwanego serią Paschena o λ w zakresie od 1,87 µm (Pa-α) do 0,82 µm (granica serii Paschena). Dobrze znana jest również grupa linii widmowych w ultrafiolecie neutralnego wodoru zwana serią Lymana, która odpowiada przeskokom elektronu na orbital n = 1. Najlepiej zbadane w astronomii są widoczne w zakresie optycznym linie serii Balmera, czyli przejścia elektronów na orbital n = 2.
Przejścia oscylacyjno-rotacyjnych w molekule wodoru H2 generują linię widmową λ = 2,12 µm.
Natomiast najbardziej tajemniczym fragmentem widma obserwowanym przez spektrograf NIRSpec jest pasmo λ = 3,3 µm. Jest to jedno z pasm emisyjnych (najsilniejsze z nich → λ ~ 3,3; 6,2; 7,7; 8,6; 11,2 i 12,7 µm), które astronomowie nazwali niezidentyfikowanymi emisjami w podczerwieni oznaczonych skrótem UIE lub UIR – od wyrażenia w języku angielskim „unidentified infrared emission”. UIE są badane już od ponad 30 lat, ale nadal nie są znane substancje będące źródłem tych emisji. Przypuszcza się, że jedną z nich są cząsteczki wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (ang. PAH – skrót od polycyclic aromatic hydrocarbons). Mogą to być również bardziej złożone związki niż PAH. W 2022 roku ukazało się podsumowanie aktualnego stanu wiedzy o niezidentyfikowanych emisjach w podczerwieni pt. „Tajemnica niezidentyfikowanych pasm emisyjnych w podczerwieni” (arXiv: 2201.02892).
Na tytułowej ilustracji sygnatura atomowego wodoru (kolor niebieski) pojawia się w samej progwieździe, ale nie otacza jej bezpośrednio. Zamiast tego występuje na zewnątrz „bąbli”, które – jak widać na widmach – w rzeczywistości są „wypełnione” molekularnym wodorem H2 (kolor zielony) i związkami węglowodorowymi (kolor czerwony). To wskazuje, że bąbel jest faktycznie na wierzchu gęstego filaru pyłowo-gazowego, który jest niszczony przez promieniowanie pochodzące od gromady młodych gwiazd masywnych widocznej na zdjęciu z kamery NIRCam na dole po prawej stronie. Ten obiekt nie wygląda jak filar, czy też słup, w porównaniu do niektórych innych struktur w tej mgławicy ze względu na brak wystarczającego kontrastu barwy względem otaczającego obszaru.
Niszczący wiatr gwiazdowy od młodych gwiazd masywnych w mgławicy rozbija molekuły poza filarami, ale są one zachowane wewnątrz, tworząc bezpieczny kokon dla gwiazdy. Ta progwiazda jest nadal za młoda, aby oczyścić swoje otoczenie poprzez rozdmuchanie swojego bąbla. W obserwowanym przypadku spektrograf NIRSpec uchwycił, jak protogwiazda właśnie rozpoczyna wyłaniać się z chroniącego obłoku, z którego powstała. Bez rozdzielczości Teleskopu Webba w podczerwieni odkrycie tej właśnie powstającej gwiazdy nie byłoby możliwe. Astronomowie wykorzystali obserwacje za pomocą NIRSpec, aby wyznaczyć skład chemiczny protogwiazdy i otaczającego ją gazu. Ta informacja spektralna pozwoli określić również wiek mgławicy oraz ile pokoleń protogwiazd w niej powstało.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Tarantula Nebula – NIRSpec IFU
A Cosmic Tarantula, Caught by NASA’s Webb
Webb captures a cosmic tarantula
Scientific American: Are the James Webb Space Telescope’s Pictures ‘Real’?
Portal Urania: Webb złapał kosmiczną tarantulę
Źródło: NASA/ESA
Na ilustracji pokazano fragment Mgławicy Tarantula z protogwiazdą w polu widzenia 3x3, który zaobserwował w bliskiej podczerwieni spektrograf NIRSpec we współpracy z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Zaprezentowano rozkład przestrzenny atomowego wodoru (kolor niebieski, λ=1,87μm), molekularnego wodoru (kolor zielony, λ=2,12μm) i pyłu węglowodorowego (kolor czerwony, λ=3,3μm). Widać, że protogwiazda właśnie jest na początku procesu wydostawania się ze swojego kokonu pyłowego. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team
