Два роки телескопу Вебба: екзопланети, ранні галактики та інші неймовірні відкриття

На телескоп Вебба вся спільнота астрономів планети покладала колосальні сподівання. Адже його розробка тривала нестерпно довгі 25 років — від початку розробки дизайну в 1996 році до початку складання в 2015 та запуску на Різдво 2021 року. І ці сподівання телескоп виправдав! Він влаштував справжнє потрясіння для теорії еволюції галактик, зробив неймовірні, захопливі фотографії багатьох туманностей, відкрив найдальших представників для кількох категорій об’єктів і розкрив склад атмосфери десятків екзопланет.

Перед цим грандіозним апаратом ставили такі завдання:

— дослідження галактик у ранньому Всесвіті, які мають дуже велике космологічне червоне зміщення (зменшення частоти і відповідно енергії фотонів, випромінених галактиками для земного спостерігача) внаслідок розширення Всесвіту;

— дослідження екзопланет, які є тьмяними холодними об’єктами на фоні своїх материнських зір;

— дослідження інших тьмяних об’єктів в інфрачервоному діапазоні (зони зореутворення, молекулярні хмари, тьмяні зорі, навколозоряні диски, планети).

Відповідно до цих завдань, JWST спроєктований на спостереження в середньому та близькому інфрачервоному спектрі й оснащений чотирма інструментами¹, що опрацьовують світло з шестиметрового сегментного дзеркала. Після проходження оптичної системи тридзеркального телескопа-анастигмата, яка майже не утворює аберацій (спотворень зображення), світло потрапляє або на камеру ближнього інфраспектра, або в спектрограф ближнього інфраспектра, або в прилад середнього інфраспектра, або в камеру-безщілинний-спектрограф, яка використовується також для гідування (наведення на ціль) телескопа. Кожен із цих приладів має надзвичайну чутливість та точність, і виготовлений на межі спроможності технологій людства. Як результат, JWST має унікальну чутливість у своєму діапазоні — наприклад, може помітити теплову сигнатуру бджоли на відстані, співмірній радіусу орбіти Місяця навколо Землі. Більше про можливості цього телескопа — в матеріалі Куншту, а тепер — детально про його відкриття.

Ранні галактики

Що було відомо про утворення та розвиток галактик до спостережень телескопа Вебба? У вчених була приблизна модель того, як галактики утворювались із первинних збурень густини матерії на світанку нашого Всесвіту. Про амлітуду цих початкових збурень вони дізнались із іншого відомого космологічного явища — мікрохвильового реліктового фону. Це випромінювання ще з тих часів, коли Всесвіт був настільки гарячим, що газ у ньому був суцільною плазмою. Охолоджуючись, ця плазма породила випромінювання, а неоднорідності у випромінюванні відобразили неоднорідності густини плазми. І хоч неоднорідності в ньому дуже невеликі (відносна зміна — лише одна тисячна процента), цього було достатньо, аби навколо найглибших з них почали формуватись гравітаційні нестабільності, з яких і виросли перші галактики. 

L1527 and Protostar (MIRI Image). Джерело: www.webbtelescope.org

У розумінні процесу утворення галактик і так було багато темних плям. Адже відбувався він у темряві, яку освітлювало лише світло реліктового фону — та холодний (спочатку) газ протогалактик вже був прозорим для нього. Цей період в історії Всесвіту, такі і називають — Темні віки. А для того, щоб запалали перші зорі, в ці протогалактики повинно впасти достатньо газу з їхього оточення. Той факт, що потрібно вивчити буквально перші (тобто найвіддаленіші в часі) світні об’єкти Всесвіту, значно погіршував ситуацію: зі спеціальної теорії відносності ми знаємо, що спостерігати дуже давні об’єкти означає спостерігати дуже далекі, а отже, цього першого світла до нас дійде дуже мало. Астрономи бачили такі об’єкти на межі можливостей інструментів — наприклад, деякі попередні рекорди належать телескопу Габбла, що теж є дуже світлочутливим. Оцінюють вік галактик за червоним зміщенням їхнього спектру: за законом Габбла-Леметра, що далі об’єкт від спостерігача, то більша швидкість його віддалення. А ця швидкість безпосередньо впливає на те, наскільки збільшилася довжина хвилі фотонів від галактики. Знаючи космологічну модель (історію розширення Всесвіту), можна перетворити червоне зміщення на вік спостережуваного об’єкта.

До запуску телескопа Вебба найдальша галактика, яку спостерігали астрономи, оцінювалась на відстані червоного зміщення z~11, що відповідала віку Всесвіту 400 мільйонів років від Великого вибуху. Галактика, яку відкрив телескоп Джеймса Вебба в 2024 році, посунула цю межу² до z=14,32, що відповідає віку 290 мільйонів років. А червоне зміщення деяких із кандидатів попередньо оцінили аж в z~16, тобто ми їх бачимо всього за 250 мільйонів років після Великого вибуху. 

Фото: ESA 

Крім цього, схожих відкритих об’єктів завдяки новому телескопу тепер вже сотні. Та найцікавіше те, які властивості телескоп виявив у найдальших галактик. Ранні галактики виявились дуже яскравими. Надто яскравими⁴! Теорії, що існували до цього, не могли пояснити таку кількість галактик, що мали настільки високу поверхневу яскравість, в такий ранній час існування Всесвіту. Висока яскравість передбачає, що в галактиці багато молодих зірок, що означає дуже бурхливий процес зореутворення. В той час зорі утворювались трохи з іншого матеріалу. Сьогодні це зорі третього покоління — матеріал, з якого вони утворюються, вже частково встиг перегоріти в інших зорях і попасти назад у міжзоряний простір із вибухом наднової. Двічі! Натомість у ранніх галактиках зорі утворювались майже винятково з первинного водню та гелію. І такий «чистий», первозданний будівельний матеріал призводить до утворення неймовірно масивних, монструозних, суперяскравих зір, коли вони нарешті спалахують — сучасним блакитним надгігантам навіть не снилось, повірте! Тож JWST показав, що люди в цілому погано собі уявляли процес утворення перших зір — існувало щось, що мусило заставити їх утворюватись швидше. Інша версія — таку кількість світла могли згенерувати інші процеси, наприклад колапс і акреція на перші чорні діри чи інші компактні об’єкти. Це могло згенерувати велику кількість іонізуючого випромінювання, яку газ міг перевипромінити в те, що ми і спостерігаємо як світло перших галактик. Але не лише яскравість — розмір ранніх галактик теж виявився більшим, ніж очікувалось, як і їхня наповненість пилогазовим вмістом. У будь-якому разі, питання утворення та еволюції галактик стало гостро відкритим, і саме в цій сфері телескоп зробив найбільшу революцію (поки що). Та звісно, цим він не обмежився.

Crab Nebula. Джерело: www.webbtelescope.org

Інші ранні об'єкти

Крім найдальших галактик, телескоп Вебба також відкрив одні з найдальших (і, відповідно, найдавінших) квазарів. Квазар — це надмасивна чорна діра в центрі галактики масою від мільйонів до десятків мільярдів мас Сонця із гігантським і дуже яскравим диском акреції (а також — релятивістським джетом), який утворює газ, що падає на неї й під дією тертя розігрівається до шалених температур. Квазари є не в усіх галактик — у деяких газу в центрі, поблизу чорної діри, недостатньо для формування такого яскравого акреційного диску. Та все ж сьогодні квазарів налічують вже мільйони, і найперші з них справді дуже цікаві астрономам: утворення надмасивних чорних дір (НМЧД) в центрах галактик — досі не розгадана сторінка в історії нашого Всесвіту. До JWST спостереження найдальших квазарів здійснювали за їхнім рентгенівським випромінюванням, однак новий надчутливий телескоп дає змогу побачити їхнє світло і у видимому й інфрачервоному діапазонах. Ба більше, така чутливість і висока роздільна здатність дозволяє побачити в деяких випадках⁴ як квазар, так і його батьківську галактику. Це особливо цінно для того, щоб зрозуміти їхню спільну еволюцію.

Телескоп Джеймса Вебба зміг побачити навіть злиття древніх НМЧД, що не утворили квазарів. Астрономи з допомогою нього помітили⁵ дві дуже ранні галактики (740 мільйонів років), що перебувають в процесі злиття. У центрі кожної з них є по НМЧД, на які теж очікує злиття. Це стало зрозуміло за швидким рухом відносно густого гарячого газу в цих галактиках — а такі деталі стали доступні лише з телескопом Вебба. Злиття чорних дір, до слова, може бути розгадкою того, як НМЧД наростили такі велетенські маси за відносно недовгий час свого існування. 

Оце ж ми винайшли машину часу на свою голову.

Екзопланети

Друга важлива категорія цілей для найпотужнішого космічного телескопа сьогодення — екзопланети. З моменту відкриття першої в 1992 році люди вполювали вже понад 5600 світів⁶, що обертаються навколо близьких до нас зір. Вполювати екзопланету важко: вона не випромінює сама, лише відбиває світло від своєї зорі. Це означає, що вона буде об’єктом в сотні тисяч чи мільйони раз тьмянішим за саму зорю. Тому безпосереднє спостереження складне, і це лише один із п’яти основних методів відкриття екзопланет. Інший, чи не найпоширеніший — це транзит екзопланети по диску свого світила. Так можна дізнатися не лише розміри планети, але й склад її атмосфери, вимірюючи лінії поглинання в спектрі зорі, які формуються цією атмосферою. Ось тут JWST показує все, на що він здатен!

Новий телескоп менш ніж за два роки провів уже близько сотні дослідницьких програм про екзопланети (за одну програму деколи можна побачити більше ніж одну планету, адже є планетарні системи з більш ніж однією планетою). Для деяких планет він зробив ключові відкриття. Наприклад, на планеті WASP-96b відкрив⁷ присутність водяної пари в атмосфері. Або ж зовсім недавно вперше знайшов сірководень⁸ поза межами Сонячної системи, на планеті HD 189733b. Чи от: знайшов⁷ вуглекислий газ та оксид сірки на газовому гіганті WASP-39b. Але відкриття телескопа пов’язані не лише з лініями поглинання. Так, йому вдалось вперше поміряти теплове випромінювання в планети TRAPPIST-1b, а вона, між іншим, за розмірами нагадує Землю, а розташована на відстані 40 світлових років! (От приклад з бджолою на Місяці і знадобився — так, кутові розміри із Землі в цієї планети десь такого порядку. Правда, вона гарячіша.) А першою екзопланетою, яку з допомогою коронографа телескопа Вебба вдалось зняти напряму, стала⁹ HIP 65426b типу «гарячий Юпітер». Він зняв її одразу в чотирьох різних довжинах інфрачервоного світла. Допомогло й те, що планета розташована на великій (92 а.о.) відстані від своєї зорі. І це спостереження теж принесло суперечність: це молода планета (лише 14 мільйонів років, зважаючи на її температуру), яка, однак, вже не перебуває в уламковому диску, в якому формують планети, — і сучасна теорія формування планет не може пояснити її існування. Користується JWST і методом вторинного затемнення — коли досліджувана планета ховається за своїм світилом, випромінювання системи стає трішки слабшим — і з цього (фотометрією) можна отримати інформацію про планету. 

Image of Exoplanet HIP 65426 b in Near and Mid Infrared. Джерело: www.webbtelescope.org

Практично про кожну з планет, яку досліджує новий телескоп, можна розповісти вже значно більше, ніж було відомо. Закінчу ще двома дахозносними прикладами. В атмосфері планети WASP-17b JWST вдалось розгледіти… хмари з кварцу¹⁰. Теж гарячий Юпітер, друга за величиною планета з усіх відкритих і найрозрідженіша з них (вдвічі більша, але й приблизно вдвічі легша за Юпітер). Хмари з кристалів кварцу! Який неймовірний світ. 

А другий приклад — найближче, куди добрався телескоп Вебба в пошуку життя. Звісно, треба розуміти — заголовка «Телескоп Джеймса Вебба відкрив життя на екзопланеті Х» — ніколи не з’явиться. Все-таки вони надто далеко, аби безпосередньо розглянути деталі на їхніх поверхнях. Однак спостереження, які проводить JWST, наближають нас до заповітної мрії, знаходячи маркери життя. 

Horsehead Nebula (NIRCam Image). Джерело: www.webbtelescope.org

Завдяки спектроскопії можна знайти присутність практично будь-якої речовини в атмосфері планети, будучи за сотні світлових років від неї. Вода, кисень, можливо, метан, наявні на планеті, що розташована в зоні життя біля своєї зорі (тобто отримує не забагато і не замало тепла від неї) — дають надію, що на ній є і життя, яке може скористатись цими речовинами для свого розвитку. Та є навіть важливіші маркери — речовини, що можуть утворитись тільки як продукт життєдіяльності. І таке відкриття телескоп Вебба вже зробив! Начебто. Йдеться про планету K2-18b¹¹ і відкриття диметил сульфіду (ДМС) на ній. Це гікеанний світ, із переважно водневою атмосферою, в якій також знайшли метан та вуглекислий газ — але без аміаку. І саме спостереження телескопа Вебба дозволило відкрити ДМС на ній. ДМС на Землі утворює своїм життям фітопланктон, найпростіше одноклітинне життя в наших океанах. Океан на K2-18b точно є, а температура на поверхні близька до земної, і вчені поки не мають чіткого пояснення, як ця речовина може утворитись у неживій природі. Але, як завжди, є одне «але» — лінії ДМС близькі до лінії метану, тож вчені ще не на 100% впевнені, що відкрили його на цьому далекому (111 св.р.) світі. Отже, все треба дослідити краще. Джеймсе Веббе, we want to believe!

Туманності, зони зореутворення

Колиска життя — все-таки не лише планети, а й зорі. Адже саме там куються матеріали, з яких потім складається все живе: від бактерій до людей. А колискою для зір є особливі місця — зони активного зореутворення, які космічний телескоп Вебба має змогу досліджувати особливо прискіпливо. Річ знову-таки в інфрачервоному зорі телескопа. Пил та холодний газ таких туманностей зазвичай поглинає все випромінювання, яке виникає в глибоких шарах. Все, але не зовсім — на довжинах хвиль, у яких працює Вебб, ці хмари прозоріші, ніж на тих, на яких працює, наприклад, Габбл. Тож телескоп дозволяє зрозуміти динаміку процесів у таких зонах, з допомогою спектроскопії виявити різні хімічні сполуки, побачити краще процес народження зірок. Ось нещодавній приклад — JWST дослідив¹² зону зореутворення NGC 604, що розташована в недалекій від нас галактиці Трикутника. Протяжністю близько 1300 світлових років, ця зона вже стала яслами для кількох сотень молодих зір. Телескоп Вебба показує в деталях морфологію зони і те, як рухається газ поблизу новонароджених зоренят. А ще — знайшов у хмарі такі речовини, як поліциклічні ароматичні вуглеводи — один з перших щаблів до зародження життя. 

NGC 604 (NIRCam Image). Джерело: www.webbtelescope.org

Новий телескоп досліджує аналогічні об’єкти і в інших галактиках. Особливо цікавими є рукави спіральних галактик, де процес зореутворення йде найбільш бурхливо: NGC 628, NGC 1365, NGC 7496, IC 5332 та інші¹³. В них вдається розгледіти тонку структуру процесу зореутворення — філаменти та пустоти, які утворює газ на невеликих масштабах у сотні світлових років. Вчені в деталях дізнаються, який вплив має середовище довкола на процес народження зір. Вдається побачити і самі новонароджені зорі (а деколи — і протозорі): їхнє інфрачервоне світло може подолати кокон з пилу та газу, який заважає спостереженню у видимому. Зрештою, будь-яке фото телескопа Вебба в цьому напрямку — це ще й нереальна космічна краса, про яку раніше ми могли тільки фантазувати. Телескоп варто було запускати лише заради цих фотографій туманностей!

І навіть цим усі досягнення за два роки дуже активної роботи JWST не обмежуються. Телескоп також фотографував газові гіганти Сонячної системи, тьмяні зорі, уламкові диски навколо зір, в яких формуються планети, астероїди в нашій Сонячні системі — цей телескоп дійсно значно, значно розширив можливості досліджень як близького, так і дуже далекого космосу. Чи не жарт — роздивитись¹⁴ 100-метрову брилу в Головному поясі астероїдів, за 100 мільйонів кілометрів (!) від самого телескопа. Це один з найменших коли-небудь відкритих астероїдів Головного поясу.

І тим приємніше тепер читати повідомлення, що з’явилися на початку його роботи — економія пального дозволить¹⁵ апарату працювати довше, ніж очікувалось — щонайменше на нас чекають два десятки років активних спостережень. Щит-парус цього величного телескопа туго напнутий, він вже здобув в морі космосу перші сенсації, а його подальша подорож принесе ще безліч раніше незвіданого про наш Всесвіт!