12 липня 2022 року NASA та його партнери (космічні агентства) оприлюднили для громадськості перші світлини, отримані за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST).

Це знімки та спектри, отримані після етапу введення в експлуатацію «Вебба», що містили найдетальніші зображення скупчень галактик, гравітаційних лінз, туманностей, галактик у процесі злиття, і спектри атмосфери екзопланети. Менш ніж через місяць після їх публікації було оприлюднено статтю під назвою «The JWST Early Release Observations» («Попередні повідомлення про спостереження JWST»), де описано результати спостережень та науковий процес, який використовували науковці для створення цих зображень.

EROs (Early Release Observations) — це набір продуктів для інформування громадськості, створених, щоб відзначити завершення введення в експлуатацію JWST і початок наукових операцій. Ці продукти обрав Комітет добору ERO (ERO Selection Committee) — міжнародний орган, сформований у 2016 році. До його складу входять представники NASA, Канадського космічного агентства (Canadian Space Agency, CSA) та Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA). Комітет діє за підтримки Наукового інституту космічного телескопа (Space Telescope Science Institute, STScI). Статтю, де описано ERO, підготували дослідники з STScI, Асоціації університетів з дослідження астрономії (Association of Universities for Research in Astronomy, AURA) і факультету фізики та астрономії Університету Джона Гопкінса.

Як відомо, першими результатами спостережень місії Webb стали зображення глибокого поля скупчення галактик SMACS J0723.3-7327 і далеких галактик, що зазнали гравітаційного лінзування; група галактик, що зливається, відома як Квінтет Стефана; Туманність Кіля (NGC 3324): планетарна туманність Південне кільце (NGC 3132) і спектри, отримані за даними спостережень транзиту гарячого Юпітера WASP 96b по диску його материнської зорі. ERO описує, як ці цілі були обрані, які інструменти «Вебба» використовувалися для їх вивчення та що показали знімки.

Добір цілей спостережень

У першому розділі статті автори стверджують, що вказані вище цілі спостережень були обрані в 2017 році комітетом ERO на основі звернень від Американського астрономічного товариства (American Astronomical Society, AAS) і наукової робочої групи JWST (Science Working Group, SWG). Комітет ERO дібрав надмножину цілей на основі наявних даних, зокрема кольорових зображень, зроблених космічними телескопами «Габбл» та «Спітцер». Їх, у свою чергу, оцінювали на основі відповідності чотирьом науковим темам JWST: спостереження перших галактик, які утворилися у період «Космічного світанку» («Cosmic Dawn»), як ці галактики еволюціонували з того часу, життєвий цикл зір і позасонячні планети.

Остаточні цілі обрали, зважаючи на основні режими роботи чотирьох наукових інструментів JWST. Ці інструменти складають інтегрований модуль наукових приладів (Integrated Science Instrument Module, ISIM) і включають:

• камера ближнього інфрачервоного діапазону (Near-Infrared Camera, NIRCam), надана Аризонським університетом;

• спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону (Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec), наданий ESA (окремі компоненти від NASA/GSFC);

• прилад середнього інфрачервоного діапазону (Mid-Infrared Instrument, MIRI), наданий Європейським консорціумом з ESA та Лабораторією реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA;

• датчик точного наведення/камера ближнього інфрачервоного діапазону та безщілинний спектрограф (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, FGS/NIRISS), надані CSA.

«Нарешті, на початку 2022 року представники Управління з роботи із громадськістю STScI приєдналися до виробничої команди ERO, щоб надати досвід у графічному дизайні, текстовій подачі наукової інформації та виробництві новин», — пишуть вони. «Перші зображення та спектри JWST були створені співробітниками Наукового інституту космічного телескопа у період з 3 червня по 10 липня 2022 року — від перших даних спостережень до остаточної передачі їх NASA. Загалом понад 30 людей були залучені до виробничої групи, яку підтримував увесь персонал системи введення в дію та експлуатації обсерваторії JWST».

SMACS J0723.3-7327

Це величезне скупчення галактик міститься на відстані приблизно 4 мільярдів світлових років від Землі в напрямку південного сузір’я Летюча Риба. Цю групу галактик багато разів спостерігав «Габбл», бо вона діє як сильна гравітаційна лінза, яка посилює світло більш віддалених галактик на задньому плані із високим червоним зміщенням. Протягом 7 — 30 червня JWST виконав багатооб’єктну безщілинну спектроскопію широкого поля, застосувавши приймачі NIRSpec та NIRISS. Водночас були виконані спостереженнями скупчення та навколишнього поля за допомогою NIRCam та MIRI в різних режимах.

Зображення глибокого поля скупчення галактик SMACS J0723.3-7327, отримані за допомогою «Габбла» (ліворуч) і JWST (праворуч). Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

Згідно з текстом статті, мета цих спостережень полягала в тому, щоб продемонструвати здатність JWST швидко отримувати зображення галактик із високим червоним зміщенням (тих, які лежать найдальше від нас) «на глибині», що конкурує з найчутливішими зображеннями, отриманими в рамках програми «Глибокі поля Габбла» (Hubble Deep Fields). Тоді, як «Габбл» міг отримувати знімки галактик на відстані понад 13 мільярдів світлових років, покращена чутливість JWST дада йому змогу побачити галактики з дуже високим червоним зміщенням і більш тьмяні, більш червоні галактики, які містять значну кількість пилу (він затемнює їхнє світло). Автори підсумовують:

«Дуги на зображенні, спричинені дією гравітаційних лінз, збільшують багатство поля тла, а також дають змогу підготувати наукову розповідь про використання гравітаційних лінз для збільшення та покращення зображень далеких галактик. Багатооб’єктна спектроскопія мала на меті продемонструвати спектральні лінії випромінювання галактик, де відбувається формування зір, і продемонструвати громадськості, як за допомогою JWST можна з високою точністю виміряти червоні зміщення (погляд назад на шкалі часу). Зображення NIRCam, дотримуючись робочого процесу, схожого на той, який використовуватимуть майбутні наукові програми, також використали для створення каталогу спостережуваних об’єктів».

Квінтет Стефана

Ця група галактик отримала назву від французького астронома Едуарда Стефана, який її спостерігав уперше в 1877 році у Марсельській обсерваторії. Її складають принаймні чотири окремі великі галактики на середній відстані 288,9 мільйонів світлових років (які, здається, перебувають у процесі активно злиття). П’ята галактика (NGC7320) не взаємодіє з чотирма іншими — вона випадково опинилася на промені зору на вказану групу. Тобто, спостерігач бачить її близько біля чотирьох галактик, але насправді вона міститься дуже далеко від них. Зазначену групу галактик спостерігали кілька разів у період з 11 по 20 червня за допомогою кількох інструментів, зокрема NIRCam, MIRI та NIRSpec.

Спостереження мали на меті проілюструвати енергетичні взаємодії, які відбуваються в компактній групі галактик, що зливаються. Цю групу раніше знімав «Спітцер» за допомогою ІЧ-інструментів, але покращена чутливість «Вебба» уможливила отримання набагато більш докладного зображення. Зокрема, спостереження в середньому інфрачервоному діапазоні показали, що для квінтету Стефана характерним є великомасштабні ударні хвилі в точці, де стикаються дві галактики (NGC 7318 і NGC 7319). Крім того, з’ясовано, що AGC 7319 містить яскраве активне галактичне ядро (Active Galactic Nucleus, AGN) ​​Сейферт 2, пов’язане з потужним, розширеним радіоструменем, що виходить з його полюсів.

Зображення Квінтета Стефана, отримані за допомогою «Габбла» (ліворуч) і JWST (праворуч). Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

Туманність Кіля

Далі — зображення «Космічних скель» — іонізованої бульбашки, утвореної гарячими молодими зорями поблизу східного краю туманності Кіля (NGC 3324), де формуються зорі. Розташований приблизно на відстані 8500 світлових років від Землі в рукаві Кіля—Стрільця галактики Молочний Шлях, цей об’єкт належить до тих, які стали культовими завдяки зображенням, отриманим раніше «Габблом». JWST отримав знімок найвищої якості завдяки вдосконаленим інфрачервоним приймачам, які забезпечили більш детальне зображення цієї ділянки зореутворення.

JWST направили на східний край туманності, бо очікували, що він покаже найчіткішу межу іонізації та найбільшу яскравість і колірний контраст (від зображень, отриманих раніше за допомогою телескопа «Спітцер»). «Вебб» спостерігав цю ділянку двічі 3 червня за допомогою камери NIRCam і тричі 11 червня за допомогою камери MIRI. Комбіноване зображення фіксує ландшафтний вигляд бульбашки в ближньому та середньому інфрачервоному діапазонах, підкреслюючи контраст між іонізованим (більш гарячим) і молекулярним (холоднішим) газом. На ньому також вдалося виявити небачені раніше новонароджені зорі та взаємодію між зоряним вітром і газовими хмарами.

Об’єкт «Космічні скелі» в туманності Кіля. Зображення від «Габбла» вгорі, а від JWST внизу. Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

Південне кільце

«Південне кільце» (NGC 3132), молода планетарна туманність, розташована приблизно за 2000 світлових років від Землі, була ще однією ціллю ERO. Вона містить візуально-подвійну зорю, яку утворюють яскрава зоря головної послідовності спектрального класу A (блакитно-біла) та молодий білий карлик. Друга зоря є джерелом туманності, яку вона утворила після гравітаційного колапсу та скидання зовнішніх шарів. Ця зоря є також джерелом іонізації туманності. Цю туманність обрали, щоб продемонструвати здатність JWST спостерігати за повним життєвим циклом зіро. З цією метою JWST спостерігав за туманністю двічі 3 червня за допомогою камери NIRCam і знову 12 червня за допомогою інструменту MIRI.

Ці зображення показали набагато кращий погляд на туманність (як порівняти з попереднім зображенням, отриманим «Спітцером»). На зображенні від NIRCam зоря головної послідовності має яскравіший вигляд, натомість білий карлик частково прихований за дифракційним променем. На зображенні від MIRI білий карлик яскравіший, більший і червоніший завдяки візуальному ефекту, спричиненому товстими шарами пилу, що його оточують (які поглинають тепло від зорі та випромінюють його в середньому інфрачервоному діапазоні). Таким чином, об’єднані дані ближнього та середнього інфрачервоного діапазону дають набагато більше інформації про структуру туманності та взаємодію між подвійною зоряною системою та газом, що утворює туманність.

Як зазначено в статті, два зображення також показали спектри, які говорять нам більше про склад туманності. «Туманність NGC3132 характеризується лініями рекомбінації водню, лініями високоіонізованих атомів ([Ar III], [S IV], [Ne II] і [S III]), а також коливальними й обертальними лініями H2», — написали автори статті. «Внутрішня морфологія туманності, ймовірно, біполярна, але ми її бачимо в напрямку близько до полюса».

Туманність Південне кільце в ближньому інфрачервоному світлі (ліворуч) і середньому інфрачервоному світлі (праворуч) від космічного телескопа Джеймса Вебба. Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

WASP-96b

Як сказано вище, однією з головних цілей JWST є вивчення атмосфер екзопланет, що дасть змогу астрономам накласти жорсткіші обмеження на придатність для життя цих об’єктів. Розташований на відстані, Цей гарячий газовий гігант, що лежить від Землі на відстані приблизно 1000 світлових років, обрали як ціль через його масу, орбітальний період і те, що він для спостерігача на Землі регулярно проходить по диску своєї материнської зорі. Мета цих спостережень полягала в тому, щоб отримати спектр пропускання атмосфери екзопланети, який би підтвердив наявність води, яку раніше було виявлено за допомогою «Габбла». Також було метою показати, як «Вебб» може отримувати спектри пропускання, що уможливить визначати характеристики атмосфер екзопланет.

Під час транзиту, який відбувся 21 червня 2022 року, JWST виконав спостереження способом безщілинної спектроскопії одного об’єкта (Single Object Slitless Spectroscopy, SOSS) за допомогою своїх приймачів NIRISS. Цей режим послідовних в часі спостережень оптимізований для отримання спектрів екзопланет, що роблять транзит. Такі спостереження потребують надзвичайно високої точності та спектрофотометричної стабільності. Інструментальна стабільність особливо важлива, оскільки спектр атмосфери екзопланети має бути відокремлений від спектра материнської зорі. Це науковці роблять через віднімання або розподіл спектрів, отриманих на різних фазах орбіти. Як і очікувалося, спостереження JWST виявили значну присутність водяної пари в атмосфері цієї екзопланети.

Спектр пропускання на основі даних, отриманих за допомогою камери ближнього інфрачервоного діапазону та безщілинного спектрографа «Вебба». Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

Обробка даних і візуалізація

Автори також докладно описують, як науковці обробляли та калібрували спостережні дані ERO залежно від приладу та зображення. Усі дані спостережень обробили за допомогою JWST Pipline5 — бібліотеки на основі Python, яку використовують для обміну даними від «Вебба» з спільнотами науковців (академічні та громадські вчені). Як пояснюють автори, ця «комунікаційна лінія» складається з трьох етапів, «починаючи від необроблених некаліброваних файлів до повністю відкаліброваних знімків з кожної окремої експозиції і закінчуючи комбінованим (складеним з окремих знімків — Ред.) зображеннями».

Було зроблено кілька вдосконалень, щоб покращити якість отриманих зображень і даних. Зокрема, виправлено електронний шум низького рівня, який не враховувала поточна версія комунікаційної лінії (версія 1.5.2). Також, багато спостережних даних, отриманих за допомогою NIRCam, потрібно було виправити, щоб врахувати положення та рух цілей (внести астрометричні правки). Для виправлення невизначеностей координат зір, зафіксованих на зображеннях від «Вебба», спричинених помилками в зоряному каталозі та невизначеністю обертання, використовували третій випуск даних (Gaia’s Third Data Release, DR3) астрометричного космічного апарата «Гайя» (Gaia).

Для деяких зображень довелося застосувати невелику кількість додаткових етапів обробки, щоб покращити якість остаточної мозаїки, як-от корекція інструментального фонового шуму та віднімання артефактів, спричинених дуже яскравими джерелами. Процес створення кольорових зображень із даних JWST був подібний до того, який використовують в інших обсерваторіях (наприклад, для «Габбла»). Але, як зазначається в статті, інфрачервоні зображення від JWST дали змогу використати ширший діапазон кольорових варіантів:

«Основною метою було створити алгоритм разючого перетворення інфрачервоних кольорів у видимі кольори, використовуючи фізичні та хімічні індикатори, недоступні в діапазоні випромінювань, які реєструє «Габбл». Хоча попередні інфрачервоні телескопи, такі як «Спітцер», досягли великих успіхів у цій справі, JWST оснащено набагато більшою кількістю фільтрів, що уможливлює значно більшу кількість потенційних комбінацій кольорів. Остаточні кольорові зображення — це один із багатьох можливих варіантів для широкого діапазону різних типів об’єктів. Наприклад, більш віддалені або запилені галактики природним чином мають червоний вигляд на зображеннях, отриманих за допомогою кількох широкосмугових фільтрів. У планетарній туманності переважає нетеплове випромінювання молекулярного, атомарного та іонізованого газу».

Уявлення художника про космічний телескоп Джеймса Вебба. Авторські права на зображення: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez. Фото з сайту www.universetoday.com.

Автори статті також описують, як було досягнуто масштабування за допомогою програмного забезпечення fitsliberator12 і PixInsight і як було досягнуто подавлення шуму та видалення артефактів за допомогою алгоритмів обробки зображень PixelClip.js. Вони також застосували «хроматичне впорядкування», коли певний колір обирали для представлення різних довжин хвиль світла, щоб досягти балансу кольорів, який давав «найкращий компроміс між наукою та естетикою». Коротше кажучи, це означає, що хвилі з меншою довжиною відображали синім кольором, а хвилі більшої довжини представлені червоним кольором. Вони також використовували цятки зір на зображеннях, щоб отримати «баланс білого». Цей метод гарантує, що кольори відповідають обраній довжині хвилі.

Усю інформацію про ERO та процес оприлюднення перших зображень від JWST можна знайти туттут. Після того, як усі потрібні файли калібрування будуть доступні, ці набори даних стануть відкритими як наукові продукти високого рівня (high-level science products, HLSP) в архіві Мікульського для космічних телескопів STScI (Mikulski Archive for Space Telescopes, MAST). ERO та наступні зображення вже уможливили багато проривів, зокрема більш докладні зображення M74, галактики Колесо Воза, найдальшої галактики, яку коли-небудь спостерігали, значно вдосконалені розрахунки маси ранніх галактик і нове розуміння тіл Сонячної системи.

Хто знає, які зображення для натхнення та наукові відкриття зробить «Вебб» завтра, післязавтра і у майбутньому? Багато дослідників, громадянських вчених і звичайних людей у ​​всьому світі прагнуть це дізнатися!

За інф. з сайту www.universetoday.com