Na początek wielki wstrząs w kosmologii - potem akcja się rozkręca. Teleskop Webba po roku
Naukowcy zaangażowani w nowy program obserwacji, nazwany COSMOS-Web, opublikowali niedawno obrazy wykonane w styczniu przez instrumenty bliskiej i średniej podczerwieni JWST. Wcześniejsze obserwacje w ramach tego największego programu w pierwszym roku operacji teleskopu ukazywały niewidzianą wcześniej różnorodność struktur, tętniących zjawiskami galaktyk spiralnych, soczewek grawitacyjnych i fuzji galaktyk.
W głębokim polu Hubble’a najstarsze widoczne galaktyki datowano na ok. 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To był już niezwykle wczesny okres w stosunku do szacowanego wieku Wszechświata, który wynosi 13,8 miliarda lat. Webb miał zobaczyć jeszcze wcześniejsze obiekty. I zobaczył. W efekcie to, co wiemy o ewolucji wczesnego Wszechświata, zaczęło być podważane.
Wiele galaktyk odkrytych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba nie pasuje do standardowego modelu kosmologii. Według szeroko komentowanych studiów opublikowanych w "Nature Astronomy", sześć najwcześniejszych galaktyk, które zaobserwował Webb, neguje przyjęte teorie ewolucji wczesnego Wszechświata. Chociaż na obrazach Webba reprezentują je niezbyt wyraźne kropki (2), to jednak według autora publikacji, Mike'a Boylan-Kolchina, galaktyki te są zbyt duże, co nie pasuje do przyjętych modeli. To, co widać, datowane jest w przedziale od 500 do 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. W połączeniu z przyjmowanymi przez astronomów masami rzędu dziesięciu miliardów razy większymi od Słońca daje to sensacyjne wyniki. Jedna z nich wydaje się być nawet znacznie masywniejsza od Drogi Mlecznej, choć nasza Galaktyka miała miliardy lat więcej na ewolucję.
Przed uruchomieniem JWST mieliśmy jedną potwierdzoną galaktykę (GN-z11) w wieku około 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu i tylko jedną inną kandydatkę na galaktykę (niepotwierdzoną), prawdopodobnie w wieku około 330 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nie zaobserwowano żadnych innych sygnałów gwiezdnych lub galaktycznych z tak wczesnych epok.
Obecnie, ok. rok po rozpoczęciu operacji naukowych przez JWST, można mówić ponad stu galaktykach, których datowanie wskazuje na okres pierwszych 400 milionów lat istnienia Wszechświata, a kilka z nich zostało już potwierdzonych. GN-z11 jest już piątą najbardziej odległą znaną galaktyką i można się spodziewać, że wkrótce pobite zostaną kolejne rekordy odległości sięgające dalej w czas i przestrzeń niż JADES-GS-z13-0, datowana na 320 milionów lat po Wielkim Wybuchu, najstarsza i najodleglejsza galaktyka potwierdzona spektroskopowo według stanu na 2022 r.
Przyjmowane od lat modele astrofizyczne, zwłaszcza najbardziej ostatnio popularny, Lambda-CDM, opisują ewolucję Wszechświata od Wielkiego Wybuchu do czasów współczesnych. Astronomowie pokładali w nim ogromną wiarę, zwłaszcza że przewidywał takie ilości ciemnej materii i ciemnej energii, które wydawały się zgodne z innymi obserwacjami. Jednak jego przewidywania co do tego, jak powinien wyglądać kosmos we wczesnym okresie, stanowią w świetle wyników obserwacji Webba ogromny problem. Owe sześć kropek wydaje się pokazywać galaktyki o znacznie większych rozmiarach, niż pozwala na to Lambda-CDM. Albo więc model jest błędny, albo źle interpretujemy obrazy pochodzące z kosmicznego obserwatorium.
Obserwacje są wczesne, oparte na ograniczonych danych. Mogą być błędne. Zdaniem niektórych to w ogóle nie są galaktyki. Astronomowie będą potrzebowali więcej danych. Jeśli okaże się, że obserwacje jednak są w porządku, to mamy kłopot z modelem Lambda-CDM, przestajemy mieć jasny obraz formowania się Wszechświata. Skłania to wielu do wysuwania hipotez podważających teorię Wielkiego Wybuchu i poszukujących zupełnie nowej astrofizyki, która mogłaby poradzić sobie z anomaliami obserwacyjnymi. Większość uczonych jednak przestrzega przed pochopnymi wnioskami.
Gabinet egzoplanetarnych osobliwości
Oczywiście do obserwacji, na jakie najbardziej liczyliśmy i na które czekaliśmy, należy wgląd w układy egzoplanetarne. JWST pozwala badać również atmosfery mniejszych planet wielkości Ziemi. Trwają np. obserwacje skalistych światów w intrygującym systemie TRAPPIST-1, jednak ponieważ planety te są znacznie mniejsze niż gorące Jowisze i krążą wokół niezbyt jasnej, czerwonej gwiazdy karłowatej, JWST będzie potrzebował więcej czasu, aby wydobyć szczegóły, jeśli w ogóle mają atmosfery.
Pierwsze sygnały są nieco zaskakujące, choć w sensie negatywnym. JWST przyjrzał się jednej ze znanych tamtejszych egzoplanet TRAPPIST-1b, położonej najbliżej gwiazdy, poszukując atmosfery i jej nie znalazł. Planeta okazała się znacznie jaśniejsza, niż oczekiwali badacze, co wskazuje, że światło słoneczne trafiało na jedną stronę planety i nie było absorbowane przez atmosferę. Temperatura tej strony planety, zwanej stroną dzienną, wynosi około 230°C, czyli o około 100 stopni goręcej, niż spodziewalibyśmy się, gdyby istniała atmosfera rozprowadzająca ciepło po całym globie. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że atmosfera tej planety została utracona wkrótce po jej uformowaniu, kiedy gwiazda była najjaśniejsza, lub że pozbawił ją jej potężny rozbłysk gwiazdy.
Na wyraz interesującą egzoplanetą, którą obserwował JWST, okazała się GJ 486 b, około 30 proc. większa od Ziemi i trzykrotnie masywniejsza, co oznacza, że jest to prawdopodobnie skalisty świat o silniejszej grawitacji niż Ziemia. Orbituje wokół czerwonego karła z czasem pełnego okrążenia nieco poniżej 1,5 dnia ziemskiego. Jest zbyt blisko swojej gwiazdy, aby znajdować się w strefie zamieszkiwania, a temperatura powierzchni wynosi kilkaset stopni. Mimo to, obserwacje przy użyciu Webb’s Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) wykryły ślady pary wodnej (3). Para wodna może pochodzić z atmosfery otaczającej planetę, w którym to przypadku musiałaby być stale uzupełniana z powodu strat spowodowanych promieniowaniem gwiazdy. Jednak równie prawdopodobne jest to, że para wodna pochodzi z zewnętrznej warstwy chłodnej gwiazdy. Gwiazda macierzysta GJ 486 b jest znacznie chłodniejsza od Słońca, więc para wodna w jej otoczeniu nie jest wykluczona. Mogłaby ona wytworzyć sygnał naśladujący atmosferę planetarną.
zdjęcie: www.nasa.gov
Według badań opublikowanych w czasopiśmie "Nature" w maju 2023 r., ostatnie obserwacje teleskopu Webba mogą całkowicie zmienić wiedzę o innej planecie GJ 1214b, często wykrywanego w kosmosie typu mini-Neptun, która jest większa od naszej Ziemi, ale mniejsza niż lodowe lub gazowe olbrzymy w naszym Układzie Słonecznym. Planeta ta została odkryta w 2009 roku i według wcześniejszych przekonań ma być pełna wody. Nie wiadomo było, czy jest to woda w stanie ciekłym, czy tylko woda w postaci pary. Obserwacje JWST wykazują, iż planeta ta mocno błyszczy. Po drugie badacze odkryli, że nie ma w otoczeniu planety wiele wodoru, a planeta ma ok. 280 stopni Celsjusza po swojej dziennej stronie. Jest to zbyt wysoka temperatura dla życia, ale wciąż znacznie chłodniejsza, niż astronomowie spodziewali się po planecie tej klasy.
Naukowcy niedawno wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba także do zbadania egzoplanety VHS 1256 b, w której atmosferze chmury wirują wraz z drobinami piasku. Temperatura przekracza tam 800 stopni Celsjusza. To wieczna, supergorąca burza piaskowa. A kiedy chmury stają się zbyt ciężkie, burze deszczowe prawdopodobnie zasypują planetę piaszczystą mieszanką z wodą.
Aby wykryć życie na odległych egzoplanetach, astronomowie będą szukać biosygnatur, czyli produktów ubocznych procesów biologicznych, które są wykrywalne w atmosferze planety. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA został zaprojektowany, zanim astronomowie odkryli egzoplanety, więc nie jest tak naprawdę zaprojektowany do badań egzoplanet pod tym względem. Mimo to potrafi wykonywać część analiz i, jak się oczekuje, zidentyfikuje obiecujące pod względem warunków dla życia egzoplanety. Jednak największe szanse na znalezienie śladów życia w atmosferach egzoplanet ma dać następna generacja gigantycznych teleskopów naziemnych - 39-metrowy Extremely Large Telescope, Thirty Meter Telescope oraz 25,4-metrowy Giant Magellan Telescope. Wszystkie te obserwatoria są w trakcie budowy.
Barwne widowiska przed i po wybuchu
Na razie dokładniejsze obserwacje, na które pozwala znacznie wyższa rozdzielczość spektralna JWST, nie przynoszą, jak widać, bardzo zachęcających wyników, choć niewątpliwie są naukowo ciekawe. Do intrygujących pod szczególnie interesującym wszystkich względem, poszukiwania oznak, możliwości i warunków przyjaznych życiu, można zaliczyć oparte na obserwacjach teleskopu Webba wyniki zespołu pod kierownictwem Benoît Tabone, astrofizyka z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych na Uniwersytecie Paris-Saclay. On i jego ludzie przeprowadzili obserwacje wirującego dysku gazu i pyłu wokół gwiazdy J160532, która jest czerwonym karłem o masie około 15 proc. Słońca i znajduje się 500 lat świetlnych od Ziemi. J160532 ma zaledwie kilka milionów lat.
Astronomowie odkryli w chmurze niezwykłą mieszankę pierwiastków, w tym obfitość węgla oraz niedobór tlenu i wody. Zespół zauważył również benzen i diacetylen w strefie formowania się planety okrążającej J160532, co oznacza, że po raz pierwszy te organiczne cząsteczki zostały zaobserwowane w tym regionie układu gwiezdnego. "Nasze dane z JWST ujawniają, że chemia w dyskach wokół takich gwiazd o bardzo niskiej masie może mieć jeszcze wyższy stosunek gazowego węgla do tlenu w strefach planetotwórczych, niż sądzono wcześniej", pisze zespół w pracy opublikowanej po badaniach. "To z kolei może w znaczący sposób wpłynąć na skład planet, które mogą się wokół nich uformować".
Około 25 lat świetlnych od Ziemi leży Fomalhaut, jedna z najjaśniejszych gwiazd na nocnym niebie. System Fomalhaut urzeka astronomów od dziesięcioleci, a teraz, dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba, grupa naukowców z Uniwersytetu Arizony i Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA pisze w "Nature Astronomy" że system Fomalhaut jest znacznie bardziej złożony, niż wcześniej sądzono.
Od 1983 roku astronomowie wiedzieli, że gwiazda Fomalhaut jest otoczona przez pył i gruz, ale nie spodziewali się znaleźć trzech różnych pól gruzowych otaczających gwiazdę. Jedno z nich, najbliższe Fomalhaut, jest podobne do pasa asteroid w naszym Układzie Słonecznym, ale jest znacznie bardziej rozległe, niż się spodziewano, od około siedmiu do 80 jednostek astronomicznych od gwiazdy. Dalej od Fomalhaut znajduje się drugi pas gruzu, który jest nachylony pod kątem 23 stopni od wszystkich innych obiektów na orbicie gwiazdy. Według naukowców, na orbicie Fomalhaut mogą znajdować się trzy lub więcej planet o rozmiarach Urana i Neptuna.
Zdjęcia James Webb Space Telescope ujawniły także tajemnice przeszłości Kasjopei A, najmłodszej znanej pozostałości supernowej w Drodze Mlecznej, która pojawiła się na ziemskim niebie 340 lat temu, 11 tys. lat świetlnych od nas (4). Światło z supernowej dotarło do Ziemi pod koniec XVII w. Nie ma potwierdzonych pisemnych obserwacji supernowej, która mogła wyglądać jak szczególnie jasna gwiazda. Nowe obrazy JWST w podczerwieni ukazują w różnych barwach ciepłe pyłowe pozostałości eksplozji. Jasnoróżowe włókna wewnątrz tej bańki reprezentują gwiezdne szczątki, w tym argon, neon, tlen a także pyły. "W porównaniu do poprzednich obrazów w podczerwieni, widzimy niesamowite szczegóły, do których nie mieliśmy wcześniej dostępu", pisze w komunikacie badawczym Tea Temim, astronom z Uniwersytetu Princeton. Co najciekawsze, badacze dostrzegli w tym miejscu wyraźny zielony pas wijący się przez centralną jamę bańki poerupcyjnej. Nie rozumieją jeszcze w pełni tej struktury, którą nazwali Green Monster (z ang. "zielony potwór").
zdjęcie: www.nasa.gov
Skoro jesteśmy przy supernowych, to teleskopowi Webba udało się po raz pierwszy uchwycić całkiem nowe wydarzenie tego typu w kosmosie, rodzaj zwiastunu eksplodującej supernowej. W obrazach z JWST w centrum tej przypominającej kwiat struktury znajduje się niebieskobiała gwiazda, 30 razy masywniejsza od Słońca. Ponieważ jest ona stara i bliska zapadnięcia się, spala się goręcej i generuje potężne wyrzuty gazu. To Wolf-Rayet 124 (5), 15 tys. lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Strzelca. Jest ona owinięta kokonem gazu i pyłu, czyli wyrzuconych w przestrzeń warstw gwiazdy połączonych z cięższymi pierwiastkami z wnętrza gwiazdy, takimi jak węgiel. Jak dotąd, według naukowców, zrzuciła ona z siebie materiał masie dziesięciu Słońc.
JWST dostarczył również znakomitych, robiących ogromne wrażenie bliższych obiektów kosmicznych z naszego Układu Słonecznego. Otrzymaliśmy dzięki niemu nowe obrazy Marsa, Jowisza i Neptuna oraz piękny obraz Urana z pierścieniami (6), co błyskawicznie awansowało tę mało znaną planetę do rangi jednego z najbardziej atrakcyjnych obiektów w kosmosie. Niektóre z tych obserwacji były przypadkowe, a nawet można je nazwać wypadkami przy pracy, np. jak informuje "Astronomy and Astrophysics", naukowcy próbowali wykorzystać JWST do przyjrzenia się znanej kosmicznej skale w głównym pasie asteroid w Układzie Słonecznym.
zdjęcie: www.nasa.gov
Zamiast tego znaleźli nową asteroidę, okrzykniętą od razu "najmniejszym obiektem wykrytym przez teleskop Webba". Znalezisko demonstruje wyjątkową czułość teleskopu w zakresie fal podczerwonych. Naukowcy byli bowiem w stanie dostrzec obiekt o rozmiarach boiska piłkarskiego z odległości ponad stu mln kilometrów. Jeśli asteroida zostanie potwierdzona, może to oznaczać, że instrument Mid-Infrared będzie przydatny w przyszłości do polowania na inne małe asteroidy, choć nie został do tego specjalnie zaprojektowany.
Mirosław Usidus
