Сегодня, друзья мои, пусть и с небольшим опозданием мы поговорим о том, что весь мир ждал более 25 лет! Это изображения Вселенной, сделанные космическим телескопом имени Джеймса Уэбба.
Итак, давайте вспомним для начала, как все начиналось.
В 1996 году космические агентства США, Европы и Канады приняли решение о строительстве нового космического телескопа. Он должен был отправиться в космос в 2007 году, но запуск немного отложили. До 25 декабря 2021 года. И полет в космос удался на отлично. Различные этапы подготовки технических приборов, тесты, проверки, испытания и прочее в конце концов прошли без проблем. И вот, 12 июля 2022 года, свет увидели первые «настоящие» снимки с космического телескопа Джеймса Уэбба (далее – JWST). Как и ожидалось, они оказались чрезвычайно интересными. И показали всему миру, чего можно ожидать от этого крутейшего прибора в ближайшие годы.
Картинки из космоса
NASA, ESA и CSA представили миру пять изображений. На них показаны четыре очень разных астрономических объекта, которые представляют собой некое «лучшее из» предстоящей научной программы. Их задача – проиллюстрировать основные возможности телескопа.
JWST запечатлел следующие объекты:
- Скопление галактик SMACS 0723
- Туманность Киля
- Туманность Кольцо
- Галактическую группу «Квинтет Стефана»
- Экзопланету WASP-96b
SMACS 0723 — скопление галактик, которое наблюдается в телескопы в южном небесном полушарии. Его свет достигает нас примерно за 5,12 миллиарда лет. Эта потрясающая коллекция галактик была целью и других наблюдательных кампаний. В том числе ее изучал и легендарный космический телескоп Хаббл.
Туманность Киля — это так называемая «эмиссионная туманность». Или так называемая «область HII». А проще говоря, это газовое облако диаметром около 200-300 световых лет, состоящее в основном из водорода. Ее подсвечивает свечение окружающих звезд, поэтому она всегда выглядят довольно завораживающе. Объект находится на расстоянии от 6 500 до 10 000 световых лет от Земли.
Туманность Кольцо находится на расстоянии 2000 световых лет от нас. Она представляет собой то, что осталось от звезды, которая выбросила свою газовую оболочку в космос после взрыва сверхновой в конце своей жизни. Все, что осталось после нее, — это маленький белый карлик. Это очень плотный объект размером с Землю. Но по массе при этом он примерно равен нашему Солнцу. Есть еще и вторая звезда рядом с белым карликом. Но она еще не закончила свою жизнь
Квинтет Стефана — это группа из пяти галактик, наблюдаемых в северном небесном полушарии в созвездии Пегаса. Группа находится на расстоянии около 300 миллионов световых лет от Земли. Ее члены гравитационно связаны между собой.
WASP-96b — экзопланета, вращающаяся вокруг своей звезды на расстоянии 1120 световых лет от нас. Ее хозяйская звезда очень похожа на Солнце. А планета представляет собой газовый гигант с массой, равной почти половине массы Юпитера. Она очень близка к своей звезде. Гораздо ближе, чем Земля отстоит от Солнца.
Почему именно эти объекты?
Но почему именно эти пять объектов были выбраны для начала научной фазы работы JWST? Просто потому что они очень хорошо иллюстрируют задачи, которые будет выполнять телескоп!
Темные века Вселенной
Большой взрыв произошел 13,8 миллиарда лет назад. И хотя материи и энергии в космосе было много, звезд, галактик и других астрономических объектов сначала не было совсем. Они образовались лишь спустя несколько сотен миллионов лет. А до этого — около 13,5 миллиардов лет назад — Вселенная была темной. Вот почему трудно узнать что-либо об этом интересном этапе ее жизни. Астрономам никогда до наших дней не удавалось наблюдать звезду самого первого поколения.
Однако JWST имеет такую возможность. И скопление галактик SMACS 0723 является хорошей целью для такого рода исследований. Масса галактик искажает пространство (ведь масса всегда искажает пространство), и свет следует кривизне пространства на своем пути сквозь космос. При правильных обстоятельствах галактики могут действовать как оптические линзы, преломляя свет, и как бы усиливая его. Другими словами, мы можем видеть свет от объектов, расположенных гораздо дальше, чем SMACS 0723. Это называется «гравитационным линзированием». И оно много раз помогало астрономам при изучении объектов, которые находятся очень и очень далеко.
Вот как это выглядит:
Самые яркие объекты с «лучами» — это звезды. Все остальное на этом снимке — галактики. Особенно интересны странные дуги. Это – изображения галактик, находящихся намного дальше, чем SMACS 0723. Свет этих галактик искажается (и усиливается) гравитационным линзированием. Этот свет происходит из более глубокого прошлого, чем наблюдалось когда-либо. Это изображение полно самых разных интересных особенностей. Здесь гораздо больше деталей, чем астрономы видели до сих пор. И даже самый простой первоначальный анализ показал, например, что эти очень ранние галактики имеют, как правило, более неправильную форму, чем те, которые мы видим во Вселенной сегодня.
Этот галактический скрытый объект очень впечатляет. А это всего лишь крошечный кусочек всего неба! SMACS 0723 можно сравнить с песчинкой, находящейся от Вас на расстоянии вытянутой руки. И все же он наполнен крайне важной информацией. У астрономов будут годы или десятилетия, чтобы хорошо поработать над этим изображением. И это лишь одно из очень, очень многих изображений, которые сделает JWST! Телескоп уже показывает нам более глубокий взгляд в прошлое, чем это было возможно ранее. Можно предположить, что скоро мы увидим и первые звезды Вселенной.
Атмосфера экзопланет
Незадолго до того, как было принято решение о строительстве JWST, в 1995 году была открыта первая планета, вращающаяся вокруг другой звезды. Сегодня их известно более 5000! Ученые сейчас знают, что планеты встречаются в космосе гораздо чаще, чем звезды. Но вот то, какие имеются условия на этих планетах (экзопланетах) – наука пока знает не очень хорошо.
Да, астрономы могут определить, где находятся экзопланеты. И по каким орбитам они движутся. Они могут определить их размер и массу. И сделать вывод о том, из чего они состоят. И какие температуры могут там преобладать. Но если нужно узнать все очень точно, необходимо анализировать свет, отраженный от этих планет. Это вряд ли было бы возможно с предыдущими телескопами. Только в крайних исключительных случаях. Однако JWST может это сделать. И поскольку он может разлагать свет на составные части, то также сможет и точно определить, из чего состоят атмосферы экзопланет.
Для демонстрации подобного умения была выбрана экзопланета WASP-96b. Нет, это далеко не «вторая земля». Для этого экзопланета слишком большая, слишком горячая и слишком близко находится к звезде. Это газовый гигант, как Юпитер или Сатурн. И он хорошо подходит для анализа атмосферы и демонстрации возможностей JWST.
Вот так выглядит спектр, взятый из атмосферы WASP-96b:
По оси абсцисс (горизонтальная) Вы можете увидеть длину волны света, а по оси ординат (вертикальная) количество света, дошедшее до нас на соответствующей длине волны. На это количество влияет наличие определенных химических молекул и атомов. И это всего лишь предварительный анализ. Но на этом графике определенно можно увидеть некоторые интересные детали. Например, наличие водяного пара в атмосфере экзопланеты. По спектру также можно рассчитать, что температура атмосферы должна быть нагрета до 725 градусов по Цельсию! Здесь JWST тоже установил новый рекорд; спектры планет никогда не видели в таких мелких деталях. И это только начало!
Помимо наблюдения за газовыми гигантами, такими как WASP-96b, JWST также будет изучать экзопланеты, которые могут быть более похожи на Землю. И кто знает, может мы найдем «вторую землю» с помощью JWST. А может и нет.
Смерть звезд
Астрономы не просто хотят знать, как образовались самые первые звезды. Они хотят гораздо большего: понять, как образуются самые разные звезды. И как они заканчивают свою жизнь. Одно из таких событий произошло когда-то в том месте, где находится теперь туманность Кольцо. Вот как космический телескоп Хаббл наблюдал туманность в 1998 году:
А это новые изображения, полученные JWST:
На первый взгляд может показаться, что изображения не стали намного лучше. Однако надо учитывать тот факт, что Хаббл делал снимки в «оптическом» диапазоне. Т.е. в диапазоне света, который мы можем видеть своими глазами. Но JWST делает это по-другому. Поскольку это чисто инфракрасный телескоп. Он наблюдает более длинные волны, чем Хаббл, и, конечно же поэтому его картинки выглядит иначе. JWST, по сути, предоставляет совсем другую информацию! Помимо того, что на изображениях можно хорошо видеть пыль, окружающую звезду, в инфракрасном диапазоне можно видеть гораздо больше деталей. И теперь у науки есть намного больше информации о двух звездах, находящихся в центре туманности, чем раньше.
В конце своей жизни звезда выбрасывает в космос большое количество газа и пыли. Это именно тот материал, из которого состоит туманность Кольцо. Так происходит до тех пор, пока в конце концов, не сформируется кольцеобразная туманность из газа и пыли. И остаток мертвой звезды — белый карлик — посередине нее. В данном случае — и это впервые видно на этом изображении — белый карлик все еще окружен пылевой оболочкой.
Но на самом деле это как-то неправильно. И почему эта звезда не выбросила все вещество из своей атмосферы в космос, еще предстоит выяснить.
Рождение звезд
Первая же запись JWST сразу подняла новые вопросы о конце жизни звезды. Но рождение звезд ничем в этом смысле по важности не отличается. Именно такие процессы можно наблюдать в туманности Киля. Это одна из многих областей звездообразования в Млечном Пути. По сути – это большое облако, состоящее из газообразного водорода и пыли. В таких местах в особенности ценно иметь инфракрасный телескоп типа JWST. Ведь он буквально способен смотреть сквозь пыль. Потому что длинноволновый инфракрасный свет вполне может проникать сквозь нее. А «нормальный» свет – нет. JWST может даже наблюдать различные типы инфракрасного света. Что делает его особенно полезным инструментом для наблюдения за структурой пыли. А также за тем, что находится за ней. Вот как выглядит туманность Киля глазами JWST:
На первом изображении показан участок туманности со всеми инфракрасными длинами волн, наблюдаемыми с помощью JWST. На втором снимке мы видим только длинноволновую часть инфракрасного излучения. Мы смотрим на «край» области звездообразования, и то, что кажется горным хребтом, является краем большой выпуклости в газе, созданной горячим излучением молодых звезд, давящим изнутри. На этом изображении можно увидеть множество молодых звезд, которые раньше нельзя было наблюдать. И множество ранее неизвестных структур в газе. Все это очень интересно, и многое говорит астрономам о том, как формируются звезды. И что происходит в ходе этого процесса. Здесь можно увидеть (золотой цвет) потоки газа, которые звезды выбрасывают в космос на этапе формирования. Или потоки газа из самой туманности, вырывающиеся из нее вместе с горячим излучением молодых звезд. JWST сумел рассмотреть очень раннюю фазу звездной жизни. Которая длиться всего несколько десятков тысяч лет.
Формирование и поведение черных дыр
Изучение черных дыр – занятие весьма захватывающее и интригующее. Совсем недавно было опубликовано второе в истории изображение черной дыры. И, конечно же, JWST тоже интересуется этими малоизученными объектами. Ученые не просто хотят сфотографировать их. Прежде всего они хотят понять, как эти странные объекты работают? Как образуются большие черные дыры в центрах галактик? Какое влияние они оказывают на развитие галактик, в которых находятся? И так далее.
Пять галактик квинтета Стефана — отличный объект для исследования. Потому что у всех этих галактик есть черные дыры в их центрах. И поэтому JWST обратил на них свое внимание:
Конечно, это выглядит здорово. Эти галактики (четыре из них, если быть точным, одна оказалась гораздо ближе к нам, чем остальные) находятся в процессе влияния друг на друга. Они сближаются, сливаются и так далее. И все эти процессы ученые хотели бы понимать гораздо точнее. Ведь именно они определяют крупномасштабную структуру космоса (кстати: на фоне этого снимка видно несколько тысяч других галактик…).
Инструменты JWST можно было использовать для точного анализа центра одной из галактик. То есть именно той области, в которой находится черная дыра. И поскольку в этом чудесном созвездии галактик все перемешалось, в центре образования есть много газа, падающего в эту черную дыру.
Что будет дальше?
Только об этих пяти-шести картинках можно было бы написать целую серию статей. Даже целую книгу, наверное. Исследователи, вероятно, так и поступят. И напишут десятки профессиональных статей. а JWST продолжит делать все новые и новые прекрасные снимки. И может прослужить человечеству как минимум 10, а то и 20 лет.
Даже самые первые изображения показали, что JWST может показать нам Вселенную так, как это было невозможно раньше. Мы увидели то, чего не могли видеть. И наверняка мы увидим то, о чем даже не подозревали. Когда через несколько лет или десятилетий JWST выйдет из строя, мы будем видеть и понимать Вселенную совсем не так, как сегодня.
Несомненно, JWST произведет революцию в наших знаниях о космосе!