Телескоп Джеймса Уэбба поразил первыми снимками

Наконец-то астрономы и все желающие могут наблюдать Вселенную такой, кой её видит телескоп Джеймса Уэбба — самый большой, сложный и самый дорогой космический телескоп из когда-либо построенных. Сначала, «для затравки» НАСА опубликовало одну фотографию — изображение в высоком разрешении, изобилующее тысячами далеких галактик. И вот опубликовано еще четыре снимка, которые демонстрируют способность Уэбба тщательно исследовать газовые облака и планетарные системы ближайшие к нам.

Туманность Южного кольца. Фото Джеймса Уэбба

Туманность Южного кольца представляет собой светящуюся оболочку ионизированного газа, выброшенную гигантской звездой в конце ее жизни. Белый карлик в ее центре — звездный пепел гиганта, излучает ультрафиолетовый свет, который заставляет туманность флуоресцировать.

Изображения — результат гигантского, величественного позолоченного зеркала Уэбб, не только более четкие, чем изображения космического телескопа Хаббла, но и существенно отличаются от них, захватывая более длинные инфракрасные волны, которые важны для многих областей астрономии. Для инженеров и всех, кто участвовал в создании телескопа Джеймса Уэбба, которые пережили годы задержки и нервные 6 месяцев запуска, развертывания и ввода в эксплуатацию, облегчение от полученного результата, можно считать по праву вознаграждением. Я чувствую смесь волнения и эмоций. Мы на пороге новых открытий, — говорит Брант Робертсон из Калифорнийского университета (UC) в Санта-Круз, который помогал в разработке камеры для ближнего инфракрасного диапазона.

Для большинства астрономов ожидания еще не закончились, поскольку их запланированные наблюдения могут потребовать дополнительного времени для получения данных. Возможно это займет  несколько недель или месяцев. Исследователь экзопланет Лаура Крейдберг из Института астрономии Макса Планка (MPIA) — одна из счастливчиков. В рамках большого сотрудничества с Уэббом в области естествознания, она увидит первые данные через 2 дня. Тем не менее, “Это долгое ожидание со вторника по четверг”, — говорит она. Но в четверг днем, когда начнут поступать данные, я приготовлю большую чашку кофе, приготовлю что-нибудь перекусить, и мы сядем и посмотрим на это.

История, цена и перспективы

Первоначально задуманный в 1990-х годах и построенный с участием Европы и Канады, Уэбб временами казался проклятой миссией, страдающей от перерасхода средств, срывов графика и технических заминок. «Было трудно сохранять мотивацию под давлением критики», — сказал на недавнем брифинге глава НАСА по науке Томас Цурбухен. Но после безупречного запуска 25 декабря 2021 года, всё стала развиваться по благополучному сценарию. Я не думаю, что кто-то из нас ожидал, насколько хорошо все пройдет, — говорит Цурбухен.

Точность запуска европейской ракеты Ariane-5 означала, что Уэббу не нужно было использовать много топлива для корректировки курса, и теперь у него больше топлива, чтобы удержаться в гравитационном кармане на противоположной от Солнца стороне Земли, около 1,5 млн. километров. Запланированная как 10-летняя миссия, теперь возможно продлится как минимум в два раза дольше.

Запуск телескопа, современного научного инструмента стоимостью 10 миллиардов долларов, не снял напряженности. Чтобы развернуть его гигантский солнцезащитный козырек, повернуть шесть из 18 сегментов в зеркале шириной 6,5 метра в нужное положение и выдвинуть вторичное зеркало на его штангах, инженерам пришлось пройти около 300 шагов, любой из которых мог обречь миссию на провал. «Каждый день уровень риска снижается, а моя способность спать увеличивается», — говорит Чарли Аткинсон, главный инженер в Northrop Grumman, основанного подрядчика миссии НАСА.

Устройство и сложность конструкции

Крошечные двигатели регулировали положение, наклон и кривизну сегментов зеркала на доли ширины волоса, пока они вместе не могли фокусироваться на целях как единое зеркало. Затем операторы должны были проверить четыре инструмента Уэбба, сочетание камер и спектрографов, которые разделяли входящий свет на его составляющие длины волн. «У нас есть обсерватория в отличном состоянии, которая соответствует ожиданиям или превосходит их», — заявил сегодня Билл Окс, руководитель проекта Уэбба в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА.

Но, не все пошло по плану. Некоторые компьютерные сбои требовали паузы в несколько часов. Зеркало было повреждено несколькими микрометеоритами — это было ожидаемо, но один был больше, чем предсказывали модели, и операторы работают над смягчением его воздействия. Были некоторые проблемы, — говорит Окс. Но когда у вас есть хорошая команда, вы можете пройти через это.

К 21 июня Уэбб собирал данные для 286 групп ученых, которым было отведено время на телескопе в первый год его работы, известный как первый цикл. У нас в перспективе потрясающие научные открытия, — говорит Зурбухен. Исследователи сообщили, что некоторые из их запланированных наблюдений были проведены, но НАСА ждало данных до этой недели, когда официально завершится ввод в эксплуатацию. Теперь Аткинсон с уверенностью говорит: «Готово. Мы передаем вам ключи. Идите занимайся наукой».

Снимки и спектры, опубликованные сегодня, являются результатом годичного процесса отбора, который Цурбухен называет «восходящим». НАСА хотело продемонстрировать возможности телескопа и дать представление о различных областях астрономии, которые он преобразит. Поэтому попросили техническую и научную команды указать ряд целей, которые показали бы “лучшее из этого”, — говорит Зурбухен. Было предложено около 70 вариантов, в результате ограничились пятью, выпущенными на данный момент.

Снимок телескопа Джеймса Уэбба Квинтета Стефана

Квинтет Стефана представляет собой компактную группу из четырех галактик с еще одной на переднем плане. Нити светящегося газа являются признаками ударных волн при взаимодействии галактик. В один прекрасный день эта четверка, скорее всего, объединится.

Скопление галактик SMACS 0723 глазами Джеймса Уэбба

Одно изображение скопления галактик SMAC 0723 демонстрирует способность Уэбба заглядывать в самые отдаленные уголки Вселенной и, следовательно, в самое отдаленное прошлое. На нем показано поле, заполненное тысячами галактик, форма некоторых из которых искажена интенсивным гравитационным полем скопления галактик на переднем плане.

Спектр галактики возрастом 13,1 миллиарда лет на изображении показал, что она содержит кислород, водород и неон — самую далекую галактику, составляющие которой мы знаем. Доминика Вилезалек из Гейдельбергского университета называет это изображение «умопомрачительным». Уровень детализации действительно захватывает дух.

Скопление галактик SMACS 0723 глазами Джеймса Уэбба

SMACS 0723 — это глубокое поле, содержащее тысячи галактик. Гравитация галактик на переднем плане действует как линза, увеличивающая и искажающая более отдаленные галактики.

Хаббл заглянул гораздо дальше назад, чем когда-либо представляли его создатели, наблюдая за галактикой, которая существовала всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва — 3% нынешнего возраста Вселенной. Но Уэбб увидит намного больше галактик, которые еще моложе, не только из-за большего зеркала, но и из-за его чувствительности к инфракрасному свету. Фотоны, испускаемые самыми ранними звездами, растягиваются в своем путешествии из-за расширения Вселенной, толкая их в инфракрасные длины волн, которые Хаббл не может видеть. Раньше, говорит Сара Босман из MPIA, мы могли видеть только очень яркие галактики, причем самые большие. С Уэббом мы увидим весь массив.

Обзоры галактик помогут астрономам понять раннюю историю этих скоплений: когда они начали формировать звезды и как быстро они организовались в дискообразные спирали, такие как Млечный Путь. Уэбб способен заполнить пробелы, — говорит Робертсон. Он поможет выяснить, что ионизировало нейтральный газообразный водород, который наполнял Вселенную до того, как звезды «включились». Ко времени миллиардного дня рождения Вселенной этот водород был ионизирован. Астрономы считают, что это в основном работа высокоэнергетических ультрафиолетовых фотонов первого поколения звезд, которые были огромными и яркими и состояли исключительно из этого первичного водорода. Но Хаббл не видел достаточно ранних галактик, чтобы объяснить необходимые фотоны. Уэбб — единственное средство, которое может видеть те ранние времена, — говорит Робертсон.

Квинтет Стефана

Еще одно из опубликованных изображений — это хорошо известный квинтет Стефана, скопление четырех взаимодействующих галактик на расстоянии 290 миллионов световых лет, которое находится за пятой галактикой на переднем плане. С помощью Уэбба можно различить светящийся газ и пыль, нагретые двумя сливающимися галактиками, и области активного звездообразования, вызванные этим беспорядком. «Именно такое взаимодействие движет эволюцией галактик», — говорит Джованна Джардино из Европейского космического агентства.

Элис Шепли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе будет использовать спектрограф ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRSpec), чтобы отделить свет от галактик и выяснить, насколько они горячие, как они движутся и из чего состоят. Ее интересуют слабые линии излучения межзвездного газообразного кислорода, которые проявляются в виде всплесков в спектре. Кислород образуется в массивных звездах и рассеивается, когда они умирают. «Он говорит вам, сколько звезд образовалось», — говорит она, и является хорошим маркером потоков газа в галактику и из нее.

Эта информация поможет исследователям понять, почему некоторые галактики являются плодовитыми создателями звезд, тогда как другие подавлены или даже мертвы. Атмосфера Земли затуманивает вид этих кислородных линий для большинства наземных спектрографов. NIRSpec использует маску, закрытую крошечными заслонками, для сбора света и генерации спектров от десятков галактик одновременно, что должно на порядок увеличить количество галактик с известными линиями кислорода. «Уэбб позволяет нам пойти гораздо дальше, — говорит Шепли. Это будет потрясающе.

Мисти Бенц из Университета штата Джорджия проверит другую возможность NIRSpec: получение спектроскопического «изображения», в котором каждый пиксель имеет свой собственный отдельный спектр. Ее проект включает в себя 9-часовое наблюдение за единственной галактикой, соседней галактикой NGC 4151, которую прозвали Оком Саурона из-за жуткого свечения сверхмассивной черной дыры в ее сердце, которая ярко светится, нагревая газ, втягиваемый в ее пасть. Бенц будет искать тонкие изменения в спектре вращающегося газа, которые раскрывают массу черной дыры, демонстрируя способность NIRSpec получать слабые спектры газа, блокируя яркую область вокруг самой черной дыры.

Туманность Киля

Уэбб также будет изучать цели в Млечном Пути — такие объекты, как туманность Киля, одна из опубликованных сегодня фотографий. На изображении Джеймса Уэбба, огромной звездной «детской», расположенной в 7600 световых годах от Земли, есть сотни недавно родившихся звезд, которых никогда раньше не видели, а также вихри пыли и газа, подгоняемые звездным ветром. Хаббл также сфотографировал эту местную достопримечательность, но на изображении Уэбба «гораздо больше деталей», говорит заместитель научного сотрудника НАСА Эмбер Строун.

Внутри таких звездных питомников плотные сгустки газа постепенно коллапсируют, образуя звезды. Мелисса МакКлюр из Лейденской обсерватории будет использовать Уэбба, чтобы заглянуть в такие облака и увидеть, являются ли они фабриками для сложных молекул, которые могли бы дать жизни преимущество еще до того, как начнется формирование звезд и планет. Сотни различных молекул были обнаружены как газы, но газы не реагируют эффективно, если они не вморожены в твердые межзвездные пылинки.

Зерна похожи на одиночные стержни, шутит МакКлюр, где атомы и простые молекулы соединяются. До сих пор в космосе был обнаружен только метанольный лед, но МакКлюр ожидает, что Уэбб будет регулярно находить льды для таких молекул, как метан и аммиак. Настоящим призом было бы найти сложные молекулы на основе углерода с более чем шестью атомами, такие как этанол или ацетальдегид.

WASP-96b на снимках Джеймса Уэбба

Среди предложений НАСА на этой неделе самым заманчивым предвкушением, является спектр экзопланеты. Он с гигантской планеты, известной как WASP-96b, которая вращается вокруг звезды в 1150 световых годах от Земли. Во время регулярных прохождений перед своей родной звездой часть звездного света поглощается газами в атмосфере WASP-96b, оставляя контрольные провалы в спектре звезды. Теоретические модели предполагают, что окись и двуокись углерода, а также метан могут присутствовать, но Хаббл и наземные телескопы не могли их увидеть.

Первый спектр WASP-96b показывает четкие признаки водяного пара в атмосфере планеты и особенности, указывающие на наличие облаков и паровой дымки. Астрономам придется дождаться данных, чтобы увидеть, что еще там есть. «Я очень рад узнать, оправдаются ли прогнозы, — говорит Крайдберг.

Используя космические телескопы «Хаббл» и «Спитцер», исследователи смогли обнаружить только воду и натрий в атмосферах экзопланет. «Это было все равно, что читать стихотворение и видеть только каждое третье слово, — говорит Крайдберг. Ожидается, что Уэбб найдет множество молекул, некоторые из которых могут указывать на потенциальную пригодность планеты для жизни: окись и двуокись углерода, метан, аммиак, фосфин и другие. Они смогут исследовать атмосферы любых планет, от горячих Юпитеров до мини-Нептунов и скалистых планет, таких как Земля.

«Уэбб может все, — говорит Крайдберг. Сотни исследователей экзопланет лихорадочно готовятся к ожидаемому потоку информации с других экзопланет, организуя хакатоны для совместной работы с данными, а также разрабатывая алгоритмы для их обработки. «Мы проделали огромную работу, чтобы убедиться, что готовы», — говорит Крайдберг.

Небольшая часть времени Уэбба будет посвящена объектам в Солнечной системе, но для целей, столь близких и таких больших с точки зрения Уэбба, техническое оснащение телескопа — настоящая проблема, говорит Имке де Патер из Калифорнийского университета в Беркли. Она будет изучать тонкое кольцо Юпитера, которое, возможно, все еще колеблется после столкновения с кометой Шумейкера-Леви 9 в 1994 году. Сфотографировать слабое кольцо рядом с гораздо более яркой планетой будет непросто, но она надеется обнаружить больше ряби, которые может сигнализировать о более поздних, невидимых ударах кометы. Самым заветным желанием Де Патера было бы обнаружение новых спутников диаметром всего в несколько сотен метров или меньше. «Это была бы мечта», — говорит она.

Для многих других мечта уже сбылась — усилия, на которые ушло 30 лет и труд около 20000 человек по всему миру, принесли свои плоды. «Помимо науки, телескоп Джеймса Уэбба возрождает чувство красоты и удивления Вселенной, которое вдохновило меня стать астрономом», — говорит Робертсон.

Читайте также: