Как фотографии молодой Вселенной, сделанные Уэббом, изменили астрономию

Свету, излучаемому группой древних галактик, потребовалось удивительно много времени, чтобы достичь космического телескопа «Джеймс Уэбб» в прошлом году. Астрономы подсчитали, что фотоны находились в пути более 13 млрд лет — почти всю историю космоса — прежде чем достигли орбитальной обсерватории.

Полученные результаты впечатляют с научной точки зрения и свидетельствуют о том, что Вселенная уже активно погрузилась в процесс звёздообразования спустя некоторое время после своего рождения в результате большого взрыва, хотя сами фотографии не поражают воображение: горстка пятен, пара светящихся сфер и изображение, которое было описано как светящаяся «собачья кость».

Тем не менее мир астрономии был ошеломлён. Среди объектов, попавших в гигантское зеркало телескопа, есть один, который, как оказалось, является самой старой из известных галактик во Вселенной. Галактика с прозаическим названием JADES-GS-z13-0 появилась всего через 320 млн лет после Большого взрыва, задолго до образования нашей планеты. По сравнению с нашей галактикой она также оказалась крошечной, но при этом в ней явно рождались новые звёзды со скоростью, сравнимой с той, которой может похвастаться Млечный Путь.

Интересно, что подобная звёздная плодовитость характерна и для нескольких других древних галактик, сфотографированных Уэббом. Эти снимки младенческой Вселенной показывают, что первые звёзды и галактики уже сформировались и начали эволюционировать гораздо раньше, чем предполагали многие учёные.

«Эти галактики очень, очень молоды, но они уже стали очагами звёздообразования. Это поразительно», — сказал профессор Брант Робертсон (Brant Robertson), астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

Этот энтузиазм разделяет и Кевин Хейнлайн, астроном из Университета Аризоны в Тусоне. «Мы наблюдали самые ранние галактики во Вселенной, и это было захватывающе, — сказал он в интервью газете Observer. — Это открыло совершенно новую главу в истории астрономии. Это говорит о том, что Вселенная с самого начала была динамичной».

Телескоп Уэбба стоимостью $10 млрд — самый амбициозный и дорогостоящий космический аппарат из когда-либо созданных — был запущен на Рождество 2021 г., и ему потребовалось шесть месяцев, чтобы занять позицию в открытом космосе, пока 18 шестиугольников бериллиевого зеркала с золотым покрытием разворачивались и складывались вместе, как распускающийся цветок, чтобы создать огромное 6,5-метровое зеркало. Затем, в середине июля 2022 года, Уэбб начал делать первые снимки космоса.

Зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба поднимается краном в Центре космических полётов имени Годдарда в 2017 году.

В июле 2023 года НАСА, построившее обсерваторию при участии Европейского и Канадского космических агентств, отметило завершение первого года её работы. Американское космическое агентство опубликовало снимки, на которых запечатлены звёзды в нашей галактике, формирующиеся из облаков межзвёздной пыли. Учитывая, что на разработку и создание телескопа ушло более 30 лет, и на протяжении всего времени его существования происходили значительные задержки и угрозы отмены, юбилей получается событием, сочетающим в себе облегчение и зрелищность.

И фотографии звёздного поля Rho Ophiuchi, безусловно, поражают воображение. Однако гораздо более приглушённые изображения JADES-GS-z13-0 и её древних галактик-партнёров вызывают настоящий ажиотаж среди космологов и астрофизиков.

По мнению специалистов, эти снимки, как никакие другие, подчёркивают истинный потенциал телескопа.

«Удивительно то, насколько детально он раскрыл раннюю Вселенную», — говорит Сандро Таккелла (Sandro Taccella), астрофизик из Кембриджского университета. — Теория предсказывала, что в это время происходили очень сложные космологические процессы, хотя я не ожидал, что смогу их наблюдать. Однако телескоп даёт такие великолепно чёткие изображения, что мы действительно можем наблюдать эти сложные процессы в действии. Это было удивительно — и очень приятно».

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. По мере охлаждения протоны и нейтроны объединились в атомные ядра, которые через несколько сотен тысяч лет захватили электроны и образовали первые атомы. Они слились в газовые облака, из которых через сотни миллионов лет возникли первые звёзды.

Однако в результате большого взрыва возник и другой тип материи, составляющий очень большую долю всей массы Вселенной. Эта материя называется тёмной и известна только по её гравитационному воздействию, которое, как выяснилось, было весьма значительным. «Тёмная материя собралась первой после Большого взрыва и начала создавать ореолы из невидимого материала, которые затем притянули атомы водорода и гелия, создав газовые облака, из которых в конечном итоге сформировались звёзды и галактики», — говорит Таккелла.

«Если бы не тёмная материя, звёзды и галактики появились бы только на более позднем этапе истории Вселенной. Теперь у нас есть Уэбб, и мы можем детально изучить, как это произошло, и, надеюсь, лучше понять роль тёмной материи в формировании космоса».

О том, что тёмная материя сыграла ключевую роль в значительном ускорении формирования первых звёзд и галактик, свидетельствуют фотографии древних галактик, к которым относится JADES-GS-z13-0. «Это уже сложная структура, и это поражает воображение, — говорит Хейнлайн. — Мы видим, что это растущая галактика, и это очень красиво».

Светящаяся «собачья кость», обнаруженная телескопом James Webb в рамках программы Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).

До запуска телескопа было открыто лишь несколько древних галактик. С помощью этой обсерватории в рамках проекта JADES — JSWT Advanced Deep Extragalactic Survey — менее чем за год было обнаружено в общей сложности 717 таких объектов.

«По-настоящему интересный вопрос заключается в том, что произошло с этими галактиками потом, — добавил Робертсон. — Очевидно, что они не оставались такими в течение следующих 13 млрд лет, а со временем слились с другими галактиками. Именно так гравитация творит свои чудеса. Она стягивала их вместе, и они становились все более и более крупными галактиками. Это и есть то, что мы видим сегодня в нашем Млечном Пути».

«Мы можем видеть остатки других галактик, которые были притянуты и втянуты в нашу собственную галактику. Изображения, полученные с помощью аппарата James Webb, показывают нам, как начался этот процесс».

Как это всё работает

Телескоп «Джеймс Уэбб», созданный как замена космическому телескопу «Хаббл», запущенному в 1990 г. и работающему до сих пор, представляет собой гораздо более крупный и сложный прибор с гораздо более амбициозными целями. Среди них — изучение ранней Вселенной, обнаружение возможных планет, пригодных для жизни, и понимание процесса формирования звёзд.

Ещё одно изображение с телескопа – «космическая роза».

Однако для выполнения этих задач обсерватория не использует видимую часть электромагнитного спектра — в отличие от Хаббла и большинства наземных телескопов — а собирает только инфракрасное излучение. Это позволяет лучше проникать сквозь пыль и наблюдать за звёздами и планетами, формирующимися из облаков газа и других материалов. Кроме того, атмосферы планет, содержащие такие химические вещества, как метан — газ, связанный с биологическими процессами, — также лучше изучать с помощью инфракрасного излучения.

Но самое главное — это роль инфракрасных детекторов в раскрытии секретов ранней Вселенной. Чем дальше мы заглядываем в космос, тем слабее и краснее становится свет — пока его длина волны не достигает инфракрасной части спектра. Поэтому для изучения процесса формирования первых звёзд, чёрных дыр и галактик необходим инфракрасный телескоп.

Однако управлять инфракрасными детекторами не так-то просто. Уэбб должен работать при температуре примерно на 40 градусов выше абсолютного нуля (около -233 °C), чтобы его приборы не генерировали ложных тепловых сигналов, которые могут заглушить слабое инфракрасное излучение, получаемое им с другого конца Вселенной.

Вдали от тёплой родной планеты телескоп защищён пятислойной защитой, блокирующей излучение от Солнца и Земли, а его приборы охлаждаются холодильником с жидким гелием, который, как ожидается, будет поддерживать его в рабочем состоянии более десяти лет.

 

Источник