Знімки свідчать про початок наукової роботи найбільшого космічного телескопа NASA

Нарешті астрономи і широкий загал побачили знімки Всесвіту, зроблені космічним телескопом Джеймса Вебба, найбільшим, найскладнішим і найдорожчим космічним телескопом, коли-небудь створеним. Спершу Білий дім оприлюднив одну світлину — глибоке зображення, на якому зображені тисячі далеких галактик. А згодом NASA випустило ще чотири, які демонструють здатність Вебба ретельно досліджувати газові хмари та планетні системи, що містяться ближче до Землі.

Зображення — продукт великого, досконалого, позолоченого дзеркала Вебба — не тільки чіткіші, ніж зображення від Космічного телескопа імені Габбла, але й суттєво відрізняються тим, що фіксують інфрачервоні хвилі, важливі для багатьох галузей астрономії. Для інженерів і конструкторів Вебба, які пережили роки затримки та нервові 6 місяців запуску, розгортання та введення в експлуатацію телескопа, полегшення відчутне. «Я відчуваю суміш хвилювання та емоцій. [Webb] справді досяг успіху, і буде потік нових відкриттів», — сказав Брант Робертсон (Brant Robertson) з Каліфорнійського університету в Санта-Круз, який допоміг розробити камеру ближнього інфрачервоного діапазону Вебба.

Для більшості астрономів очікування ще не закінчилося, бо їхні заплановані спостереження мають відбутися через тижні чи місяці. Дослідниця екзопланет Лаура Крейдберґ (Laura Kreidberg) з Інституту астрономії Макса Планка є однією з таких щасливчиків. У рамках великої співпраці з Webb у програмі «наука найперших даних» вона побачить перший набір даних через 2 дні. А втім, «чекати з вівторка до четверга — це довго», — каже вона. Але в четвер у другій половині дня, коли дані почнуть надходити: «Я зварю велике горнятко кави, поставлю трохи закусок, і ми посидимо й подивимось на це».

Спочатку задуманий у 1990-х роках і побудований за допомогою європейських і канадських внесків, Вебб часом здавався проклятою місією, що страждала від перевитрат, збоїв у графіку та технічних ускладнень. Зазнавши критики, «було важко утримувати команду на межі майстерності», — сказав на нещодавньому брифінгу науковий керівник NASA Томас Зурбухен (Thomas Zurbuchen). Але після бездоганного запуску 25 грудня 2021 року про ці негаразди майже забули. «Я не думаю, що хтось із нас очікував, яким вдалим буде запуск», — зазначив Зурбухен.

Точність запуску за допомогою європейської ракети Ariane 5 означала, що Веббу не потрібно було витрачати багато палива для корекції курсу, і тепер він має його більше, щоб утримувати себе в гравітаційній кишені на протилежному від Сонця боці Землі, приблизно за 1,5 мільйона кілометрів від неї. Запланована як 10-річна місія, тепер, згідно з очікуваннями, робота Вебба триватиме принаймні вдвічі довше.

Запуск інструменту вартістю 10 мільярдів доларів не припинив напругу. Щоб розгорнути свій величезний сонцезахисний екран, розгорнути шість із 18 сегментів дзеркала шириною 6,5 метрів у потрібне положення та витягнути вторинне дзеркало на його штанзі, інженерам довелося пройти близько 300 сходинок. Будь-яка з них могла стати фатальною для місії. «З кожним днем рівень ризику знижувався, а моя здатність спати зростала», — сказав Чарлі Аткінсон (Charlie Atkinson), головний інженер проекту в Northrop Grumman, головному підряднику NASA в цій місії.

Крихітні двигуни регулювали положення, нахил і кривизну сегментів дзеркала на частки ширини людської волосини, поки вони разом не сфокусувалися на цілях, як одне дзеркало. Потім операторам довелося перевірити чотири інструменти Вебба, поєднання камер і спектрографів, які розкладають вхідне світло на окремі електромагнітні хвилі. «У нас є обсерваторія у відмінній формі, яка відповідає або перевершує очікування», — оголосив 12 липня Білл Окс (Bill Ochs), керівник проєкту Вебба в Центрі космічних польотів імені Ґоддарда NASA.

Не все йшло за планом. Деякі комп’ютерні збої вимагали кількагодинної паузи. Дзеркало постраждало від кількох мікрометеоритів — цього й очікували, але один був більшим, ніж прогнозували моделі, і оператори працюють над пом’якшенням його впливу. «Були деякі проблеми, — каже Окс. «Але коли у вас є хороша команда, ви можете їх подолати».

До 21 червня Вебб збирав дані для 286 груп науковців, які працювали з телескопом від часу його запуску, тобто у перший рік його роботи, який ще називають першим циклом. «У нас є дивовижна наука», — заявив Зурбухен. Дослідники повідомили, що деякі з їхніх запланованих спостережень вже відбулися, але NASA тримало дані до цього тижня (початок другої декади липня — Ред.), коли етап введення в експлуатацію телескопа завершено офіційно. Тепер Аткінсон каже: «Ми передаємо ключі. Все готово. Іди займайся наукою».

Опубліковані 12 липня фотографії та спектри є результатом річного процесу добору, який Цурбухен називає «знизу вгору». NASA хотіло продемонструвати можливості телескопа та запропонувати спробувати різні галузі астрономії, які він змінюватиме. Тож менеджери попросили групу, яка відповідає за роботу інструментів, і науковців надати низку цілей, які показали б «найкраще з цих речей», — сказав Зурбухен. Було запропоновано близько 70, і комітет скоротив їх до п’яти. Знімки цих об’єктів і стали першими світлинами від космічного телескопа Вебба.

Квінтет Стефана — це компактна група з чотирьох галактик з іншою на передньому плані. Нитки сяючого газу є ознаками ударних хвиль під час взаємодії галактик. Одного разу ця четвірка, швидше за все, об’єднається. Фото з сайту www.science.org.

Туманність Південне кільце — це сяюча оболонка іонізованого газу, яку скидає гігантська зоря наприкінці свого життя. Білий карлик у її центрі — залишок зорі-гіганта — випромінює ультрафіолетове світло, яке змушує туманність світитися. Фото з сайту www.science.org.

SMACS 0723 — це глибоке поле, що містить тисячі галактик. Сила тяжіння галактик на передньому плані діє як лінза, яка збільшує та спотворює більш віддалені галактики. Фото з сайту www.science.org.

Зображення скупчення галактик SMAC 0723 показує здатність Вебба зазирнути в найвіддаленіші куточки Всесвіту, а отже, і в найдальші часи. На ньому видно поле, переповнене тисячами галактик, форма деяких з яких спотворена інтенсивним гравітаційним полем скупчення галактик на передньому плані. Спектр галактики віком 13,1 мільярда років, яка є на зображенні, показав: вона містить кисень, водень і неон. Це найвіддаленіша галактика, складові якої ми знаємо. Домініка Вілезалек (Dominika Wylezalek) з Гейдельберзького університету називає це зображення «запаморочливим». «Рівень деталізації дійсно захоплює подих».

«Габбл» бачив набагато далі, ніж могли собі уявити його розробники, спостерігаючи за галактикою, яка існувала, коли вік Всесвіту становив лише 3% від нинішнього, тобто через 400 мільйонів років після Великого Вибуху. Але Вебб побачить набагато більше галактик, які є ще молодшими, не лише через його більше дзеркало, але й через його чутливість до інфрачервоного світла. Фотони від найдавніших зір зазнають розтягування через розширення Всесвіту й тому випромінювання від них зміщується в інфрачервону ділянку довжин хвиль, які «Габбл» не бачить. Раніше, сказала Сара Босман (Sarah Bosman) з Інституту астрономії Макса Планка, «ми могли бачити лише дуже яскраві галактики, і найбільші. З Веббом ми побачимо весь масив».

Огляди галактик допоможуть астрономам зрозуміти ранню історію цих об’єктів: коли вони почали формувати зорі та як швидко вони організувалися в дископодібні спіралі, такі як Молочний Шлях. «Вебб здатний заповнити прогалини», — зазначив Робертсон. Вебб також допоможе з’ясувати, що іонізувало нейтральний водень, який наповнював Всесвіт до появи зір. До мільярдного дня народження Всесвіту цей водень був іонізований. Астрономи вважають, що це спричинили головно ультрафіолетові фотони високої енергії від першого покоління зір, які були величезними та яскравими і складалися тільки з первинного водню. Але «Габбл» не бачив потрібної кількості ранніх галактик, щоб підтвердити гіпотезу про такі фотони. «Вебб — єдиний інструмент, який може бачити цю ранню епоху», — сказав Робертсон.

На ще одному з оприлюднених знімків зображено добре відомий Квінтет Стефана, скупчення чотирьох галактик, що взаємодіють. Вони лежать на відстані 290 мільйонів світлових років від нас і розташовані за п’ятою галактикою, що міститься на передньому тлі. За допомогою Вебба можна розрізнити світло від газу і пилу, які нагрівають дві галактики, що зливаються. Також видно ділянки активного зореутворення, що виникли внаслідок взаємодій між галактиками. «Саме така взаємодія керує еволюцією галактик», — зауважила Джованна Джардіно (Giovanna Giardino) з Європейського космічного агентства.

Еліс Шеплі (Alice Shapley) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі використовуватиме ближній інфрачервоний спектрограф Вебба (Near-infrared spectrograph, NIRSpec), щоб розрізнити світло від галактик і дізнатися, які вони гарячі, як вони рухаються та з чого складаються. Її цікавлять слабкі лінії випромінювання міжзоряного газу кисню, які проявляються як сплески в спектрах. Кисень утворюється в масивних зорях і розсіюється, коли вони гинуть. «Це говорить вам, скільки зір сформувалося», — каже вона, і є хорошим маркером для потоків газу в галактиці та з неї.

Ця інформація допоможе дослідникам зрозуміти, чому одні галактики є плідними творцями зір, тоді як інші в цьому сенсі слабкі або навіть мертві. Атмосфера Землі не дає змоги реєструвати ці лінії кисню за допомогою більшості наземних спектрографів. NIRSpec використовує маску, покриту крихітними шторками, щоб збирати світло та створювати спектри від десятків галактик одночасно, що має збільшити кількість галактик із відомими лініями кисню на порядок. «Вебб дає нам змогу піти набагато далі», — сказала Шеплі. «Це буде неймовірно».

Місті Бентц (Misty Bentz) з Університету штату Джорджія випробує іншу можливість NIRSpec: отримання спектроскопічного «зображення», на якому кожен піксель має власний окремий спектр. Її проєкт передбачає спостереження протягом 9 годин однієї галактики, сусідньої галактики NGC 4151, яку називають «Око Саурона» через моторошне світіння, що виникає завдяки надмасивній чорній дірі в її центрі. Бенц буде шукати тонкі зміни в спектрі газу, що обертається навколо чорної діри. Ці особливості спектру дають змогу визначати масу чорної діри. Зазначені дослідження показують здатність NIRSpec отримувати слабкі спектри газу, блокуючи яскраву ділянку навколо самої чорної діри.

Вебб також досліджуватиме цілі в Молочному Шляху — такі об’єкти, як туманність Кіля, одна з опублікованих перших світлин. Зображення величезних зоряних ясел, зроблене Веббом, що лежать на відстані 7600 світлових років від Землі, містить сотні новонароджених зір, яких ніколи раніше не бачили. На знімку також видно пил і газ, що зазнають впливу зоряного вітру. «Габбл» також отримав зображення цієї місцевої пам’ятки, але зображення від Вебба має «набагато більше деталей», — зазначив заступник наукового співробітника проєкту NASA Ембер Страун (Amber Straughn).

У таких зоряних яслах щільні згустки газу поступово руйнуються, утворюючи зоро. Мелісса МакКлюр (Melissa McClure) з Лейденської обсерваторії використовуватиме Вебба, щоб зазирнути в такі хмари і побачити, чи є вони фабриками складних молекул, які можуть дати фору життю ще до того, як почнеться формування зір і планет. Сотні різних молекул були виявлені в складі газу, але газ не реагє ефективно, якщо його не заморозити на твердих частинках міжзоряного пилу. Зерна схожі на окремі бруски, жартує МакКлюр, де атоми та прості молекули з’єднуються. Поки що в космосі було виявлено лише метаноловий лід, але МакКлюр очікує, що Вебб буде регулярно знаходити лід для таких молекул, як метан і аміак. Справжньою нагородою було б знайти складні молекули на основі вуглецю з понад шістьма атомами, такі як етанол або ацетальдегід. «Таке виявлення було б справді дивовижним», — сказала МакКлюр.

Серед перших світлин від Вебба найпривабливішою є та, що показує спектр екзопланети. Це планета-гігант, відома як WASP-96b, яка обертається навколо зорі, що лежить на відстані 1150 світлових роках від Землі. Під час регулярних проходів перед диском материнської зорі, частину її світла поглинають гази в атмосфері WASP-96b. Це спричиняє появу помітних «провалів» у спектрі зорі. Теоретичні моделі припускають, що в атмосфері цієї екзопланети можуть бути окис вуглецю та діоксид вуглецю, а також метан. Але ні «Габбл», ні наземні телескопи не могли їх побачити. Перший спектр WASP-96b від Вебба показує чіткі сліди водяної пари в атмосфері планети та особливості, які вказують на наявність хмар і туману. Астрономам доведеться дочекатися майбутніх транзитів, щоб побачити, що там є ще. «Я дуже рада побачити, чи справдяться прогнози», — сказала Крейдберґ.

Використовуючи космічні телескопи «Габбл» і «Спітцер», дослідники змогли спостерігати лише воду та натрій в атмосферах екзопланет. «Це ніби читаєш вірш і бачиш лише кожне третє слово», — зауважила Крейдберг. Очікується, що Вебб знайде багато молекул, деякі з яких можуть вказувати на потенційну придатність планети для життя: чадний та діоксид вуглецю, метан, аміак, фосфін тощо. Ми зможемо досліджувати атмосфери будь-яких планет від гарячих Юпітерів, міні-Нептунів до таких екзопланет, як Земля. «Вебб може все», — каже Крейдберґ. Сотні дослідників екзопланет гарячково готуються до очікуваного потоку даних від інших транзитних екзопланет, організовуючи наради щодо ймовірних нових даних, а також розробляють методи обробки даних. «Ми виконали величезну роботу, щоб переконатися, що ми готові», — зазначила Крейдберг. «Перед бурею не буває спокою».

Невелика частина часу Вебба піде на спостереження об’єктів у Сонячній системі, але для таких близьких і великих цілей — з погляду Вебба — насиченість інструментів є справжньою проблемою, зауважила Імке де Патер (Imke de Pater) з Каліфорнійського університету в Берклі. Вона вивчатиме тонке кільце Юпітера, яке, можливо, все ще перебуває у стані коливання після зіткнення планети з кометою Шумейкера-Леві 9 у 1994 році. Зображення слабкого кільця поруч із набагато яскравішою планетою буде складним завданням, але вона сподівається виявити більше брижів, що може свідчити про недавні, невидимі зіткнення з кометами. Найзаповітнішим бажанням де Патера було б виявлення нових супутників діаметром лише кілька сотень метрів або менше. «Це було б здійсненням мрії», — сказала вона.

Для багатьох інших мрія вже здійснилася — зусилля, для досягнення яких знадобилося 30 років і близько 20 000 людей у всьому світі. «Окрім науки, [Вебб] відновлює відчуття краси та дива Всесвіту, що надихнуло мене стати астрономом», — сказав Робертсон. «Я щасливий».

За інф. з сайту www.science.org