Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Nowa era obserwacji wszechświata

Trudna droga

Wystrzelony w dzień Bożego Narodzenia ubiegłego roku teleskop Jamesa Webba nie miał łatwej drogi na orbitę. Po kilku latach od rozpoczęcia jego budowy groziło mu nawet oddanie na złom, gdyż kongres USA nie był zadowolony z postępów prac, złego zarządzania projektem i z ciągle rosnących kosztów. Przedsięwzięcie od początku było bardzo skomplikowane, wymagało wytężonej pracy wielu fachowców i niezwykłej precyzji, gdyż szansa na udaną misję teleskopu była od zawsze tylko jedna. Na orbicie oddalonej od Ziemi średnio o 1,5 mln km (4 razy dalej niż Księżyc) żaden astronauta nie może wykonywać napraw i modyfikacji, jak to miało miejsce z Kosmicznym Teleskopem Hubble’a (orbitującym na wysokości 600 km).

Dlatego nie dziwi brak pośpiechu i ciągłe opóźnienia, wszystko bowiem musiało się zgadzać i było wielokrotnie testowane. NASA dmuchała na zimne nawet tuż przed wylotem, gdy na skutek odpięcia jednej z podtrzymujących teleskop klamr Webb doznał niewielkich wstrząsów. Po uważnym sprawdzeniu, czy na pewno wszystko jest w porządku, rakieta Ariane 5 wyniosła wreszcie tak długo oczekiwany teleskop w jego wspaniałą podróż.

Powyżej oczekiwań 

Podróż Webba na docelową orbitę trwała miesiąc, z kolei przygotowanie zwierciadeł i wszystkich instrumentów – kolejne pięć miesięcy. Co ciekawe, zwierciadła teleskopu Jamesa Webba zostały fabrycznie "źle" zaprojektowane. Ich kształt nie był idealnie dopasowany, a ogniskowe nie były w jednym punkcie.

Wszystko przez to, że teleskop czuły na promieniowanie podczerwone (cieplne) musi operować w ekstremalnie niskich temperaturach, w których każdy materiał wysłany z Ziemi odkształca się. Doskonałą zbieżność wszystkich luster już po ich ochłodzeniu udało się osiągnąć także dzięki niewielkim siłownikom na "plecach" zwierciadeł, które nadały im ostateczny kształt. 

W oficjalnym raporcie po zakończeniu wszystkich kalibracji i testowych obserwacji NASA przyznaje, że teleskop Jamesa Webba przekroczył wszystkie śmiałe założenia co do jakości swojej pracy. Jego system śledzenia obiektów działa precyzyjniej, niż zakładano, pozwala śledzić nawet obiekty częściowo przysłaniane przez blask ich towarzyszy, jak księżyc Jowisza, Europę. Dane spektroskopowe obarczone są dużo mniejszym błędem systematycznym, niż się spodziewano. Jedyną kwestią, jaką nie do końca udało się przewidzieć, jest wpływ mikrometeoroidów na pracę teleskopu. Z uwagi na swoją otwartą strukturę teleskop Jamesa Webba jest bardzo podatny na zderzenia z maleńkimi cząstkami, których pełno jest w kosmosie.

W fazie projektowej założono, że JWST będzie doznawał średnio jednego uderzenia mikrometeoroidu o niewielkiej masie miesięcznie. Podczas półrocznych testów istotnie odnotowano sześć uderzeń, jednak jedno z nich okazało się kilka razy silniejsze niż zakładana średnia. Na szczęście powstałe w wyniku tego uszkodzenia nie są na tyle istotne, by móc zakłócić pracę Webba. Pozostaje mieć nadzieję, że ten meteoroid był tylko anomalią, a nie regułą w tym zakątku Układu Słonecznego.

Pierwsze światła

Biorąc to wszystko pod uwagę, nie tylko ta część społeczeństwa, która interesuje się astronomią, z niecierpliwością oczekiwała na pierwsze zdjęcia. Nadzieję na spektakularne wyniki podsyciła publikacja zdjęć testowych jednej z gwiazd. Podczas tych testów na zdjęcie załapało się mnóstwo galaktyk tła, z których wiele miało wyraźnie widoczną strukturę. Na pierwsze pełnokolorowe zdjęcia przyszło nam jednak poczekać, gdyż sam proces obróbki takich zdjęć jest skomplikowanym przedsięwzięciem. W końcu jednak 11 i 12 lipca 2022 roku doczekaliśmy się pierwszych wyników obserwacji teleskopu Jamesa Webba. 

Głębokie Pole Webba

Gromada galaktyk SMACS 0723 jest częstym obiektem badań astronomicznych ze względu na swoją masę i położenie Ziemi względem niej. Grawitacja tej gromady silnie zakrzywia tor lotu światła pochodzącego od obiektów umiejscowionych za nią, dzięki czemu możemy zobaczyć w powiększeniu – jak przez soczewkę – szczegóły galaktyk odległych od nas o więcej niż 6 mld lat świetlnych. SMACS 0723 była już obserwowana przez satelitę Planck oraz teleskopy Chandra i Hubble’a. Żadne z nich nie ujawniło jednak tak wielu szczegółów.

Po pierwsze, kilka galaktyk, tworzących charakterystyczne łuki wokół centralnej gromady, występuje na tym zdjęciu w parze. Jest to efekt charakterystyczny dla silnego soczewkowania grawitacyjnego. Gromada SMACS 0723 jest tak masywna, że duplikuje i wzmacnia obrazy bardzo odległych galaktyk tła – do tego stopnia, że wyraźnie widać ich strukturę, jasne jądro i świetliste punkty wzdłuż krawędzi tych galaktyk, które są należącymi do nich gromadami gwiazd. Ta szczegółowość obrazu jest tym, co wyróżnia Webba pośród innych teleskopów. Warto zwrócić uwagę przy oglądaniu w powiększeniu na galaktykę oznaczoną numerem 1, znajdującą się blisko końca dolnej pionowej linii dyfrakcyjnej najjaśniejszej gwiazdy na tym zdjęciu. Gromady widoczne w jej wnętrzu są tak jasne, że stają się idealnym celem badań naukowców, którzy pochylać się będą nad obrazami z Webba.

Badania obserwacyjne to jedno, teleskop Jamesa Webba jest jednak wyposażony także w spektrograf. Analiza widma światła sprzed 13,1 mld lat, jakie wysyła do nas jedna z galaktyk (numer 2), pokaże naukowcom nie tylko skład chemiczny tak dalekich galaktyk, lecz także temperaturę, tempo narodzin nowych gwiazd oraz jak wiele pyłu znajduje się wewnątrz. 

Poznamy nowe informacje o galaktykach, które istniały w całym kosmicznym czasie – i jak można je porównać z pięknymi galaktykami spiralnymi i eliptycznymi w pobliskim wszechświecie. 

Widmo atmosfery egzoplanety

Na pierwszy rzut oka przedstawiony przez NASA wykres nie jest spektakularny, na pewno nie nadaje się na umieszczenie go na tapecie swojego laptopa. Nie znaczy to jednak, że nie jest to ważna i przełomowa obserwacja. Teleskop Jamesa Webba – dzięki zainstalowanemu na pokładzie superczułemu spektrografowi – potrafi z dużą precyzją zbadać widmo światła, które przechodzi przez atmosferę planety, znajdującej się (w tym przypadku) 1150 lat świetlnych od Ziemi. Samej planety nie widzimy i nie będziemy w stanie dojrzeć. Planeta WASP-96b krąży wokół swojej gwiazdy (WASP 96) po bardzo ciasnej orbicie, potrzebując na wykonanie jednego pełnego obiegu zaledwie 3,5 dnia. Jak wykonać badanie cienkiej atmosfery planety skąpanej w blasku swojej gwiazdy?

Światło, przechodząc przez jakiś ośrodek, jest absorbowane przez atomy, które go budują. Po rozszczepieniu światła na jego składowe (przy użyciu bardzo precyzyjnego pryzmatu) zauważymy przez to ciemne linie, które odpowiadają absorpcji światła przez konkretne pierwiastki lub związki chemiczne. Te linie dla każdej substancji układają się zawsze w ten sam "odcisk palca". Wystarczy więc od widma światła pochodzącego z układu WASP 96, gdy planeta przechodzi przez tarczę gwiazdy, odjąć widmo samej gwiazdy (gdy planeta chowa się za gwiazdą) i to, co otrzymamy, będzie widmem związanym tylko z planetą.

W przypadku danych z Webba mamy do czynienia z niespotykaną dotąd precyzją pomiaru oraz szerokością spektrum od bliskiej do dalszej podczerwieni. Tak dokładne dane dadzą niepowtarzalną szansę na poznanie światów poza Układem Słonecznym.

Choć pełna analiza widma zajmie dodatkowy czas, można już wyciągnąć wiele wstępnych wniosków. Oznaczone piki w widmie wskazują na obecność pary wodnej. Wysokość szczytów wody, która jest mniejsza, niż oczekiwano na podstawie wcześniejszych obserwacji, jest dowodem na obecność chmur. Stopniowe nachylenie lewej strony widma (krótsze fale) wskazuje na możliwe zamglenie. Wysokość pików wraz z innymi charakterystykami widma jest wykorzystywana do obliczenia temperatury atmosferycznej około 725°C.

Mgławica Pierścień Południowy

Koniec życia gwiazdy bywa bardzo spektakularny. Gdy ustające powoli reakcje termojądrowe przestają wytwarzać odpowiednio dużo ciśnienia promieniowania, gwiazda zapada się w sobie, po czym zewnętrzne jej warstwy odbijają się od zapadniętego jądra i ulatują z ogromnymi prędkościami w przestrzeń kosmiczną, tworząc mgławice. Widoczna na zdjęciu mgławica Pierścień Południowy (NGC 3132) znajduje się ok. 2000 lat świetlnych od Ziemi. Co ciekawe, gwiazda, która jest widoczna w centrum, nie jest odpowiedzialna za powstanie mgławicy, ale jest towarzyszką schowanej w linii dyfrakcyjnej drugiej gwiazdy, białego karła (widać go na zdjęciu w dalszej podczerwieni). Wyrzucany gaz podlega więc ciągłym perturbacjom ze strony obu gwiazd tego układu podwójnego, przez co wydaje się "spieniony" i przybiera kształt rozerwanej ósemki. Na zdjęciach z teleskopu Jamesa Webba wyraźnie widać detale struktur oraz proste linie, wychodzące ze środka mgławicy, będące wynikiem działania wiatrów gwiazdowych gwiazd centralnych.

James Webb nie byłby sobą, gdyby nie pokazał nam więcej, niż byśmy chcieli. Dookoła mgławicy, a nawet wewnątrz rdzawej otoczki gazowej, widoczne są tysiące galaktyk z widocznymi detalami struktur oraz takich, które znajdują się w bardzo dużej odległości od Ziemi. Na uwagę zasługuje szczególnie galaktyka w lewym górnym rogu mgławicy, która jednemu z naukowców, którzy zajmowali się tym zdjęciem, na surowych czarno-białych obrazach wydawała się kolejnym promieniem wiatru gwiazdowego. Po uwydatnieniu szczegółów i kontrastów widać wyraźnie galaktykę zwróconą ku nam swoim brzegiem, jednak mimo to jej jądro jest bardzo dobrze widoczne.

Kwintet Stephana

Kolejnym zaprezentowanym obrazem była kompozycja 1000 osobnych zdjęć obszaru nazwanego Kwintetem Stephana, od nazwiska odkrywcy tej grupy pięciu galaktyk. Jest to najbardziej szczegółowe zdjęcie, które wykonał do tej pory teleskop Webba, składające się z 1,5 mln pikseli. Same galaktyki znajdują się relatywnie blisko Ziemi. Cztery galaktyki leżące w pionowej linii po prawej stronie kompozycji są złączone w grawitacyjnym tańcu, czego przejawem są doskonale widoczne ogony gwiazd, gazu i pyłu, wyrwane przez siły pływowe, a także olbrzymia fala uderzeniowa (widoczna w pomarańczowo-czerwonych odcieniach na środku obrazu) – skutek połączenia dwóch centralnych galaktyk.

Galaktyka po lewej stronie znajduje się znacznie bliżej nas, dzięki czemu możemy zobaczyć ją w niespotykanej rozdzielczości. Widać w niej nie tylko gromady gwiazd i włókna pyłu, lecz także pojedyncze gwiazdy oraz niektóre detale jądra galaktycznego. W tle tradycyjnie widać mnóstwo galaktyk tła z ich strukturą wewnętrzną. Jednym z ciekawszych naukowych rezultatów obserwacji tej gromady jest wgląd w strukturę supermasywnej czarnej dziury, znajdującej się w centrum galaktyki położonej najwyżej. W istocie centrum tej galaktyki świeci tak jasno, że widoczne są linie dyfrakcyjne, zupełnie jak na zdjęciach gwiazd Drogi Mlecznej.

Spektrograf Webba przebił się przez zasłonę pyłu, aby zmierzyć jasną emisję z wypływów gorącego gazu w pobliżu aktywnej czarnej dziury. Instrument obserwował gaz w pobliżu supermasywnej czarnej dziury na długościach fal, których wcześniej nie obserwowano, i był w stanie określić jego skład. Niektóre z kluczowych linii emisji reprezentują różne fazy gazu. Wodór atomowy pozwala naukowcom odkryć strukturę wypływu. Jony żelaza pozwalają śledzić miejsca, w których znajduje się gorący gaz. Wodór cząsteczkowy jest bardzo zimny i gęsty i pokazuje zarówno wypływający gaz, jak i zbiornik paliwa dla czarnej dziury. Samo jasne, aktywne jądro zostało usunięte z tych zdjęć, aby lepiej ukazać strukturę otaczającego gazu.

Kosmiczne Klify

Najbardziej spektakularnym – przynajmniej wizualnie – zdjęciem NASA pochwaliła się na koniec prezentacji. Kosmiczne Klify w mgławicy Carina są zdecydowanymi zwycięzcami konkursu piękności na najpiękniejsze zdjęcie kosmosu, które kiedykolwiek wykonano. Przedstawia ono część mgławicy

w konstelacji Kila na niebie południowym, zawierającej gorący zjonizowany gaz i obłoki pyłu przysłaniające miejsca rodzenia się gwiazd. Dzięki temu, że teleskop Jamesa Webba operuje w podczerwieni, która nie jest tak blokowana przez pył kosmiczny jak światło widzialne, na obrazie widzimy tysiące młodych gwiazd gotowych do tego, by zbadać ich skład i wczesne etapy ewolucji. Nad "klifami" widać także słupy gorącego gazu, wydmuchiwane z mgławicy. Pył układa się w bąble i słupy, na skutek intensywnego promieniowania ultrafioletowego pochodzącego z młodych gwiazd. Ten okres bardzo wczesnego formowania się gwiazd jest trudny do uchwycenia, ponieważ dla pojedynczej gwiazdy trwa on tylko około 50 000 do 100 000 lat – ale ekstremalna czułość Webba i znakomita rozdzielczość zapewniają wgląd w ten rzadko obserwowany etap ewolucji gwiazd.

Choć na pierwszy rzut oka obraz mgławicy NGC 3324 wygląda na sztuczny render, wykonany został z dbałością o fakty. Teleskop Jamesa Webba rejestruje podczerwień, jednak kolory zostały dobrane tak, aby odzwierciedlać prawdziwe kolory świecącego gazu, który się tam znajduje. Dodatkowo wzmocniony kontrast nie jest tylko zabiegiem wizualnym, lecz także pozwala na lepsze uchwycenie detali.

Co nam jeszcze pokaże?

Pięć rezultatów pierwszych naukowych obserwacji, jakie pokazano na konferencji 12.07.2022 r., jest zaledwie początkiem pracy teleskopu Jamesa Webba. Obiekty do pokazowych obserwacji zostały dobrane tak, by pokazać wszystkie najważniejsze możliwości teleskopu i swoje zadanie spełniły. Teleskop jest gotowy do odpowiedzi nie tylko na pytania, jakie teraz nurtują astronomów, ale i te, których nikt jeszcze nie zadał. Obserwacje z wykorzystaniem teleskopu Hubble’a doprowadziły do odkrycia przyspieszonego tempa ekspansji Wszechświata, czego nikt wcześniej nie przewidywał. Naukowcy mają nadzieję, że i Webb czymś podobnym nas zaskoczy.

Dzięki świetnej pracy inżynierów NASA i idealnego startu na rakiecie Ariane 5 od ESA teleskop Jamesa Webba zachował paliwo, które wystarczy na ok. 20 lat utrzymywania się na swojej orbicie. Jeżeli więc nic złego się nie zdarzy, żaden zbłąkany kawałek kosmicznej skały nie postanowi uderzyć w lustra Webba, a instrumenty będą działać bez zarzutu, to możemy być pewni, że astronomia, jako nauka, zmieni się przez najbliższe lata nie do poznania. 

Autor: Jerzy Konarski

Źródło: miesięcznik Astronomia 8/2022, www.astronomia.media.pl