To już rok z teleskopem kosmicznym Webb. Jak zmienił astronomię?

Czy odnosicie wrażenie, że ostatnio jest jakby ciszej o teleskopie Hubble, natomiast co rusz mamy nowe doniesienia związane z obserwacjami teleskopu Webb? To tylko wrażenie, ale faktem jest, że po obserwacjach, które polegały na powtórzeniu w lepszej rozdzielczości, innych długościach fal światła, ikonicznych ujęć (mgławica Carina, Filary Stworzenia, obszar gwiazdotwórczy w Małym Obłoku Magellana), które wykonał wcześniej teleskop Hubble'a, przyszedł czas na całkowicie nowe projekty, w tym obserwacje głębokiego kosmosu. Dlatego o tym co Webb obserwuje można pisać bez końca. Nie oznacza to oczywiście, że Hubble poszedł w odstawkę, wciąż dzielnie pracuje.

Webb w ziemskiej hali montażowej z rozłożoną osłoną przeciwsłoneczną, od której skuteczności zależy jego być albo nie być na orbicie wokół punktu L2.

Niedługo przybędzie teleskopów kosmicznych, ale Webb pozostanie tym naj

Webb (oficjalnie JWST, czyli James Webb Space Telescope) zyska za kilka miesięcy na pobliskiej orbicie wokół odległego od Ziemi o 1,5 miliona km punktu L2 innego towarzysza, teleskop Euclid do masowego przeglądu nieba w poszukiwaniu dowodów na istnienie ciemnej energii i ciemnej materii. Teleskop Euclid wspomoże za kilka lat jeszcze inny teleskop - Nancy Grace Roman (rozmiarem bliźniak Hubble'a) - który trafi na orbitę Ziemi.

Jednak to Webb jeszcze długo pozostanie tym największym teleskopem kosmicznym, który ma największą moc wejrzenia zarówno w detale pobliskiego kosmosu (Układ Słoneczny) jak i tego najdalszego (początki istnienia Wszechświata). Pod koniec tego roku czeka nas też inna specyficzna rocznica, 30 lat pracy teleskopu Hubble po operacji wzroku, czyli instalacji instrumentu korygującego nieostry obraz tworzony przez nieprawidłowo wyszlifowane zwierciadło. Dokonano jej w grudniu 1993 roku, ponad trzy lata po wyniesieniu tego teleskopu na orbitę.

Teleskop Webb jeszcze na Ziemi z rozłożonym głównym zwierciadłem i złożonym stelażem, na którym umieszczone jest zwierciadło wtórne.

Webb nie miał takich problemów, a parametry jego instrumentów przekroczyły naśmielsze oczekiwania astronomów. Owszem rok wystarczył, by przeżyli i oni chwile stresu, bo pewne elementy związane z instrumentem MIRI do obserwacji w średniej podczerwieni, już dwa razy zaszwankowały (latem 2022 i wiosną 2023). Podobnie jak instrument NIRISS (zima 2023), którego problemy wywołało promieniowanie kosmiczne.

Niemniej inwestycja w Webba opłaciła się i to bardzo. Teleskop, jak oficjalnie się wspomina, kosztował 10 miliardów dolarów. Można tę kwotę zestawić np. z 13 miliardami dolarów, kosztem budowy najnowocześniejszego obecnie lotniskowca we flocie USA, czyli USS Gerald R. Ford. Nie jest to idealne porównanie, ale pokazuje siłą nabywczą pieniędzy w przypadku astronomii najwyższych lotów oraz militariów.

Co dało nam minione 12 miesięcy obserwacji teleskopu Webb?

O teleskopie Webb, tym jak jest zbudowany, jakie są jego tajemnice, kontrowersje związane z nazwą, możecie przeczytać w naszych poprzednich tekstach. Teraz pora na podsumowanie roku obserwacji, wskazanie tych najciekawszych i ich wpływu na astronomię.

Korzyści jakie dał astronomom Webb to możliwość zobaczenia już znanych obiektów w jeszcze wyższej rozdzielczości i dostrzeżenia tego, co dotychczas umykało naszej uwadze. W ten sposób astronomowie zyskali ogrom danych na lata badań, które pozwolą doprecyzować już istniejące teorie lub stworzyć nowe. Choć brzmi to bardzo trywialnie, osiągniecia Webba wymagały współpracy inżynierów i naukowców z całego świata.

Poniżej kolekcja najciekawszych dotychczas wizualnie zdjęć z teleskopu Webb, w każdym z 12 miesięcy obserwacji.

Obejrzyj w

Co obserwował Webb? Od pobliskich asteroid do najdalszej czarnej dziury

Pierwsze porównawcze obserwacje pokazały wartość jaką daje możliwość zobaczenia kosmosu jednocześnie w bliskiej podczerwieni, a także w podczerwieni średniej, gdzie widać dużo chłodniejsze, a jednocześnie słabo widoczne w świetle widzialnym struktury. Mowa tu nie tylko o ikonicznych filarach stworzenia, ale też obserwacjach obiektów Układu Słonecznego. Webb spojrzał się już na Jowisza, Saturna, ale też zapewnił najlepsze w historii obrazy pyłowych pierścieni Neptuna, a także Urana wraz z licznymi jego księżycami.

Uran i jego pierścienie oraz szersze pole widzenia z zaznaczonymi największymi księżycami.

Oprócz planet celem Webb były także same księżyce Saturna, w tym powierzchnia i chmury na Tytanie czy lodowy Enceladus, w przypadku którego udało się zobaczyć wyjątkowo dobrze wyrzuty lodu, pary wodnej i związków organicznych, które tworzą torus wokół planety.

Webb wspomógł także obserwacje zderzenia sondy DART z asteroidą Dimorfos jesienią ubiegłego roku, a w tym roku pomógł potwierdzić istnienie szczególnie rzadkiej kategorii komet, pochodzących z pasa planetoid pomiędzy Marsem i Jowiszem. Najmniejsze asteroidy, które zdołał dotychczas zaobserwować Webb w tym samym rejonie mają rozmiar około 100 metrów.

Kometa Read, którą obserwował Webb. Zawiera wodę choć nie powinna zważywszy na jej orbitę w pasie planetoid, znacznie bliższą Słońcu niż orbity komet dalszych komet spoza orbity Neptuna. Medialnie większe wrażenie robią wizualizacje i wnioski, ale astronomom do szczęścia wystarczy taki wykres jak na obrazku powyżej.

Astronomowie skierowali także teleskop w stronę planet pozasłonecznych. W styczniu Webb odkrył swoją pierwszą taką własną planetę, która jest podobna do Ziemi wyglądem, choć obiega swoje słońce po bardzo ciasnej orbicie o okresie dwóch dni. Dzięki możliwości obserwacji w podczerwieni Webb zdołał także zmierzyć temperaturę na powierzchni skalistej planety Trappist-1 b, a także obserwował dysk pyłowy wokół młodej gwiazdy AU Microscopii, który jest na etapie dynamicznej ewolucji po powstaniu planet. Każda z tych obserwacji może pochwalić się najlepszą w historii rozdzielczością danych. Spektroskopy Webba pozwoliły wykryć też niezwykłe atmosfery, jak krzemianową wokół planety VHS 1256b.

Obłok molekularny Chamaeleon I.

W przypadku gwiazd, Webb jest w stanie sięgnąć w stronę regionów, które dopiero w przyszłości staną się obszarami wypełnionymi młodymi gwiazdami, jak obłok molekularny w Kameleonie, gdzie odkryto lód, ale też liczne złożone związki organiczne, sugerujące powstanie w przyszłości wokół gwiazd planet, które mogą stanowić zaczątki zaawansowanego życia. W Mgławicy Oriona w odległości 1350 lat świetlnych z kolei Webb odkrył najbardziej skomplikowany dotychczas związek, kation metylowy, punkt wyjścia do powstawania złożonych form węglowych.

Obszar Mgławicy w Orionie, w którym spektroskopy wykryły najbardziej złożoną nam cząsteczkę z udziałem węgla jaką znamy poza Układem Słonecznym. Zdjęcia z kamer NIRCam (bliska podczerwień) i MIRI (średnia podczerwień).

Jednocześnie Webb, tak jak obserwował stadia początkowe, gdy gwiazdy się formują jak obiekt L1527, obserwował także końcowe istnienia gwiazd, jak masywna i gorąca gwiazda Wolf-Rayet 124, która w przyszłości stanie się supernową. W obu przypadkach uchwycono wcześniej niedostrzegalne detale tych obiektów.

Powstawanie gwiazdy (po lewej) i etap bliski końca jej istnienia (po prawej).

Instrument MIRI dla średniej podczerwieni wśród wielu niezwykłych zdjęć, ma też obserwacje pozostałości po eksplozji supernowej Cassiopeia A. Choć były one już wielokrotnie obserwowane, Webb pokazał, że można zobaczyć je jeszcze dokładniej, a dzięki temu jeszcze lepiej poznać procesy prowadzące do eksplozji supernowych, które zapewniają materię podobną jak ta, z której powstała kiedyś Ziemia.

Mgławica Cassiopeia A widziana przez kamery MIRI w średniej podczerwieni.

Układ Słoneczny, obiekty w Drodze Mlecznej to ta bliższa strona obserwacji Webba. Teleskop w ciągu minionego roku obserwował też inne galaktyki i to znacznie dalsze niż Andromeda czy Obłoki Magellana. Zarówno te, w których można dobrze zaobserwować detale, na przykład pyłowe pasma w galaktyce NGC 1433, odległej o 46 milionów lat świetlnych, i na podstawie obserwacji analizować ewolucję skupisk gwiazd, jak i te odległe o miliardy lat świetlnych, w przypadku których daje się obserwować tylko ich sylwetki i ogólny skład. Jednakże i w tym drugim przypadku, zasięg Webba, lepszy niż jakiegokolwiek dziś dostępnego nam instrumentu, pozwala pokazać wcześniej nie widziane struktury.

Pyłowa struktura galaktyki NGC1433 widziana w średniej podczerwieni. Zdjęcie wykonane w ramach projektu PHANGS (fizyka w wysokiej rozdzielczości kątowej w pobliskich galaktykach).

To między innymi powstające gromady galaktyk we wczesnym wszechświecie, młode galaktyki, które dopiero zyskują cięższą materię ze swoich pierwszych supernowych, a także najodleglejsze i jedne z pierwszych galaktyk we wszechświecie (300 do 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu), w których intensywnie powstają gwiazdy, a które istniały, gdy przestrzenie międzygalaktyczne były wypełnione jeszcze niezjonizowaną w pełni materią. Ten etap, gdy wszechświat powoli stawał się przejrzysty dla światła, obserwujemy na zdjęciach wykonanych przez Webba.

W obserwacjach tych najodleglejszych obiektów pomocna jest Webbowi także natura, a dokładniej rzecz ujmując, zjawisko soczewkowania. Najdoskonalszym jego przykładem jest supergromada Pandora (inaczej Abell 2744), w której widoczne są liczne soczewkowane galaktyki z czasów, gdy Wszechświat miał kilkaset milionów lat. W porównaniu z teleskopem Hubble, zdjęcie głębokiego kosmosu z ponad 50 tysiącami źródeł światła można uzyskać dzięki ekspozycji trwającej kilkunaście godzin, a nie wiele dni. To ogromne przyśpieszenie obserwacji.

Supergromada galaktyk Pandora. W przypadku soczewkowania grawitacyjnego nawet najmniejszy wzrost rozdzielczości stanowi nieocenioną pomoc przy modelowaniu zjawiska i ocenie faktycznej odległości soczewkowanych galaktyk.

Webb, dzięki możliwości obserwowania grup tak wcześnie powstałych obiektów, okazał się zdolny do ukazania zalążków kosmicznej struktury. Tworzą ją gromady galaktyk, które układają się w przestrzeni we włókna przedzielone pustkami (w praktyce nie są to jednak obszary bez materii). Te obserwacje realizowane są w ramach projektu Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), który doprowadził też do obserwacji najstarszej czarnej dziury, istniejącej już 570 milionów lat po powstaniu naszego Wszechświata.

Obserwacje odległych czarnych dziur w centrach galaktyk wykorzystują echnologię mikroprzesłon o rozmiarach rzędu kilku grubości ludzkiego włosa, które można otwierać i zamykać. Dzięki temu Webb jest w stanie obserwować widma nawet 100 galaktyk jednocześnie, znakomicie przyśpieszając pracę i dają astronomom ogromne porcje danych, z których większość jeszcze nie była przeanalizowana.

Widma wielu galaktyk uzyskane jednocześnie dzięki technologii mikroprzesłon. Dla amatora astronomii może to wydawać się niezbyt interesujące, ale astronomowie na podstawie tego tylko obrazu mogliby napisać całą książkę.

Poniżej podróż w 3D do galaktyki Maisie (istniała gdy Wszechświat miał tylko 290 milionów lat), która pokazuje różnice w odległościach 5 tysięcy galaktyk na małym wycinku regionu nieba obserowanego przez CEERS. Przemieszczając się od najbliższej galaktyki do Maisie podróżujemy również w czasie, o 200 milionów lat wstecz.

Obejrzyj w

Rocznicowe zdjęcie - region gwiazdotwórczy Rho Ophiuchi

- Już w pierwszą rocznicę Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dotrzymał obietnicy ujawnienia Wszechświata, obdarowując ludzkość zapierającą dech w piersiach skarbnicą obrazów i nauką, która przetrwa dziesięciolecia - tak podsumowała pierwszy rok obserwacji Nicola Fox, szefowa działu naukowego w NASA. I trudno się z tymi słowami nie zgodzić.

Na swój jubileusz Webb wykonał zdjęcie obszaru gwiazdotwórczego Rho Ophiuchi, jednego z najbardziej atrakcyjnych barwnie obszarów Drogi Mlecznej. Wiele ze znajdujących się tam gwiazd dopiero powstaje i są one skryte w chmurach pyłu, które dominują w pomarańczowo-żółtym regionie zdjęcia. Z wyjątkiem jednej, której blask zdołał przedostać się przez pył, reszta z około 50 gwiazd jest podobna lub mniejsza od Słońca.

Te z gwiazd, które niejako mają swoje narodziny, objawiają się naszym oczom w momencie, gdy świecąc po raz pierwszy rozwiewają otaczającą je materię. Na zdjęciu widać to w postaci rozchodzących się w dwóch kierunkach od lokalizacji gwiazd czerwonych i purpurowych dżetów (pasm) molekularnego wodoru. Dzięki Webbowi udało się po raz pierwszy w tym regionie zobaczyć tak dużą liczbę zachodzących na siebie dżetów.

Powiększone fragmenty zdjecia z mgławicą Rho Ophiuchi

Mgławica Ro Ophiuchi znajduje się w odległości 390 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Wężownika. Jej obserwacje amatorskim sprzętem wymagają wykonania długo naświetlanych zdjęć, ale możecie spróbować odszukać bez aparatu pobliską gwiazdę o tej samej nazwie co mgławica. Jej jasność wynosi 4,6 magnitudo, a to oznacza, że z dala od świateł miast przy dobrej widoczności zdołacie ją dostrzec nawet gołym okiem. A jeśli nie gołym okiem, to już na pewno przez lornetkę.

W trudniejszych warunkach obserwacyjnych trzeba zadowolić się obserwacjami gwiazdy Antares w konstelacji Skorpiona, która leży również niedalego mgławicy. Lato to najlepszy okres by obserwować te obiekty z terenu Polski, gdyż nawet wtedy widać je nisko nad południowym horyzontem.

Źródło: ESA, Webb