W północnym gwiazdozbiorze Małej Niedźwiedzicy znajduje się mały, niepozorny skrawek nieba bez widocznych gwiazd i galaktyk. Podobna, bliźniacza plama znajduje się na południowym niebie w kierunku na gwiazdozbiór Pieca. Te dwa obszary, znane wśród astronomów jako pola GOODS, na pierwszy rzut oka nie wydają się zbyt ciekawe. Jednak to one na nowo zdefiniowały nasze zrozumienie Wszechświata.
Młody kosmos wyglądał całkiem inaczej niż teraz. Wszechświat rozszerza się i ewoluuje od miliardów lat. Co dało początek temu bogatemu zbiorowisku galaktyk o różnych kształtach i rozmiarach? Czy galaktyki zawsze wyglądały tak jak dziś? Aby odpowiedzieć na te pytania, astronomowie stosują prostą regułę: należy obserwować bardzo odległe galaktyki i ich rozkład. Ze względu na to, że światło porusza się ze skończoną prędkością, widzimy odległe obiekty takimi, jakimi były w przeszłości. Niestety, odległe galaktyki są przy tym bardzo niewyraźne.
Tu właśnie do gry wkraczają pola GOODS. Astronomowie włożyli w te badania dużo wysiłków, ale opłaciło się – stawką było przecież uzyskanie jak najgłębszego spojrzenia w przeszłość otaczającego nas świata. GOODS to skrót od The Great Observatories Origins Deep Survey. – Wymyśliliśmy akronim GOODS, ponieważ chcieliśmy dostarczyć nauce dobra (ang. goods) - żartuje Mauro Giavalisco, astronom z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst.
Pomysł na wszystkie znane dziś kosmiczne pola nie wziął się znikąd. Jak wiele innych sukcesów w nauce, wszystko zaczęło się od filiżanki kawy. W 1994 roku Kosmiczny Teleskop Hubble'a (HST) był absolutnie na fali w astronomii. Choć początki były trudne i teleskop borykał się z problemem wadliwych zwierciadeł, po zainstalowaniu korekcyjnych układów optycznych zaczął w końcu dostarczać wyraźne obrazy planet, układów gwiazdowych i galaktyk. Robert Williams, ówczesny dyrektor Space Telescope Science Institute w Baltimore, spędzał każdy poranek pijąc kawę i omawiając najnowsze wyniki tych badań z grupą młodych naukowców. Pierwsze głębokie obrazy galaktyk wykonane przez HST wywarły na tej grupie silne wrażenie. Williams zdał sobie wtedy sprawę, że po odpowiednim przygotowaniu Hubble może spojrzeć w przeszłość dalej niż kiedykolwiek wcześniej. Zaczęła się wtedy kształtować idea głębokiego pola – obrazu małego wycinka nieba składającego się ze zdjęć będących odpowiednikiem ekstremalnie długich ekspozycji.
Pomysł był zresztą dość ryzykowny. Nie wiedziano, co, jeśli w ogóle, takie głębokie pole może ujawnić nauce. Sam Teleskop Hubble'a cieszył się oczywiście dużym zainteresowaniem, trudno było więc uzyskać na nim potrzebny czas obserwacyjny na realizację tak ambitnego, ale i pełnego niewiadomych programu. Aby urzeczywistnić swój pomysł, Williams wykonał kilka przemyślanych ruchów. Jako dyrektor, miał swobodę w zdobyciu znacznej ilości czasu obserwacyjnego na projekt. Co więcej, zdecydował się upublicznić uzyskane w jego ramach dane natychmiast po ich pozyskaniu, rozpoczynając tym samym chlubną tradycję otwartych baz danych w astronomii.
Pod koniec 1995 roku HST obserwował maleńką plamkę na niebie przez dziesięć dni z rzędu. Połączony obraz powstały na bazie tych obserwacji, znany dziś jako Głębokie Pole Hubble'a, był spektakularny. Obszar o boku mierzącym około 2,6 minuty łuku zawierał mniej więcej 3 000 galaktyk, z których część wyemitowała światło jeszcze wtedy, gdy Wszechświat miał mniej niż 2 miliardy lat (obecnie ma około 13 miliardów lat!).
Dlaczego jednak uczeni mieliby poprzestać na Głębokim Polu Hubble'a? Sukces programu szybko pobudził ich do myślenia o nowych, jeszcze głębszych polach.
Na zdjęciu: Pole GOODS jest już tak standardowe, że skoncentrowano na nim również większe pole GEMS (Galaxy Evolution from Morphology and Spectral Energy Distributions). To porównanie różnych głębokich pól wykonanych przez Teleskop Hubble'a obejmuje również Ultragłębokie Pole Hubble'a (HUDF) oraz pole COSMOS (Cosmological Evolution Survey). Źródło: NASA, ESA § Z. Levay (STScI)
Choć astronomowie z czasem wyznaczyli kilka głębokich pól na niebie, pola GOODS wciąż wyróżniają się na ich tle, także ze względu na powtarzającą się uwagę, jaką im poświęcono. Za każdym razem, gdy astronauci instalowali nową, mocniejszą kamerę na HST, teleskop był obracany w kierunku pól, aby uzyskać coraz głębsze ich obrazy. Teleskopy rentgenowskie, podczerwone i radiowe spędzały wiele godzin na wpatrywaniu się w pola GOODS, podobnie największe teleskopy naziemne. Sumarycznie uczeni zainwestowali w te dwa pola, każde o wielkości około jednej czwartej tarczy Księżyca w pełni, naprawdę sporo czasu.
Idea natychmiastowego publicznego udostępniania wysokiej jakości danych dodatkowo zachęciła rozmaite komisje do przyznawania ogromnych ilości czasu obserwacyjnego i środków na badania kosmicznych pól. Obserwacje dostępne publiczne okazały się zwycięskim modelem, na którym oparto m.in. badania dotyczące kosmosu obserwowanego na wysokich przesunięciach ku czerwieni.
Obserwacje pól GOODS zaowocowały ogromną liczbą analiz i wyników. Naukowcy uzyskali jasny wgląd w to, jak określone cechy galaktyk zmieniały się w czasie. Wcześniej uważano na przykład, że wczesne galaktyki były duże i rozproszone, ale w rzeczywistości były one małe i zwarte. Okazało się, że galaktyki w przeszłości z większym entuzjazmem (a w każdym razie w większym tempie) formowały też gwiazdy. Starannie przemyślane obserwacje kosmicznych pól pozwoliły ponadto odkryć wiele odległych supernowych, co doprowadziło do lepszego zbadania przyspieszonej ekspansji Wszechświata. Głębokie obserwacje rentgenowskie ujawniły z kolei odległe aktywne jądra galaktyk (AGN). Lista sukcesów jest bardzo długa.
Pola GOODS i inne zawierają również prawdziwe astrofizyczne perełki. Na przykład w polu północnym znajduje się najbardziej odległy obiekt, jaki kiedykolwiek odkryto: galaktyka o nazwie GN-z11, która wypromieniowała obserwowane dziś światło zaledwie 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Nic zatem dziwnego, że długo oczekiwany Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) wystrzelony ostatecznie w kosmos 25 grudnia 2021 roku, również przyjrzy się dokładnie polom GOODS. – Jeśli ktoś miałby zdecydować, gdzie można uzyskać najwięcej korzyści naukowych, to właśnie w polach GOODS, ponieważ jest tam już tak wiele innych informacji – wyjaśnia Marcia Rieke, astronom z Uniwersytetu Arizony w Tuscon i główny badacz w zespole spektrografu NIRspec na JWST. Rieke współprowadzi także program JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), w ramach którego prowadzone będą obserwacje dwóch pól GOODS przez blisko 800 godzin. Teleskop użyje jednocześnie dwóch instrumentów do uzyskania obrazów w podczerwieni oraz widm galaktyk w tych polach.
Program JADES będzie kontynuował badania mające na celu lepsze zrozumienie procesów ewolucji galaktyk. JWST zaobserwuje najbardziej odległe galaktyki, a być może także pierwsze powstałe w nich gwiazdy. Prześledzi morfologie galaktyk w czasie i ujawni chemiczną ewolucję Wszechświata. Zagadka pochodzenia supermasywnych czarnych dziur w młodym Wszechświecie również jest w jego planach.
Jak twierdzą astronomowie, być może najbardziej ekscytującym aspektem wpatrywania się w pola GOODS jest nieznane. Za każdym razem, gdy nowy instrument lub teleskop spoglądał na te pola, pojawiały się nowe i nieoczekiwane odkrycia. Nie ma powodu, by teraz, gdy spojrzy tam JWST, miało być inaczej.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Wielkie obserwatoria NASA spojrzą w Kosmos jeszcze głębiej
- Zdjęcia początków Wszechświata. Polski udział w niezwykłej publikacji
- Głębokie, ultrafioletowe Pole Hubble'a
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Fragment Pola Hubble Ultra-Deep Field – część pola GOODS-South. Źródło: NASA, ESA, H. Teplitz § M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
