Даже при выдержке всего 12,5 часов первое изображение глубокого поля, сделанное Джеймсом Уэббом, преподало нам уроки, которые мы никогда раньше не понимали.
Ключевые выводы
- Всего за 12,5 часов выдержки первого изображения глубокого поля космический телескоп Джеймса Уэбба действительно открыл совершенно новую эру в астрономии и астрофизике.
- Несмотря на то, что JWST посвятил всего 1/50 часть времени, затраченного на самое глубокое изображение Вселенной Хаббла, экстремальное глубокое поле Хаббла, обнаружил детали, которых мы никогда раньше не видели.
- Вот семь впечатляющих уроков, которые мы можем извлечь из его первого изображения в глубоком поле, а также веские причины радоваться грядущим удивительным научным открытиям!
11 и 12 июля 2022 года наше понимание Вселенной изменилось навсегда, когда миру были представлены первые научные изображения, полученные с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). В отличие от предыдущих выпусков, которые состояли исключительно из изображений, которые использовались для калибровки, тестирования и ввода в эксплуатацию, эти изображения были:
- снято несколькими инструментами и несколькими фильтрами,
- снято с целью предоставления научно ценных данных,
- и впервые были объединены в полноцветные изображения, радующие человеческий глаз.
Самым первым изображением, которое было представлено, было глубокое поле
Вот, без лишних слов, 7 впечатляющих уроков, которые мы уже извлекли из этого самого первого изображения, а также то, что оно означает для всей будущей науки!
Это почти идеально выровненное композитное изображение показывает первое изображение JWST в глубоком поле ядра скопления SMACS 0723 и контрастирует с более ранним изображением Хаббла. Изображение JWST скопления галактик SMACS 0723 является первым полноцветным многоволновым научным изображением, полученным JWST. Это самое глубокое из когда-либо сделанных изображений сверхдалёкой Вселенной, в нём идентифицировано 87 кандидатов в сверхдалёкие галактики. Они ждут спектроскопического наблюдения и подтверждения.
1.) JWST превосходит Хаббл больше, чем мы ожидали Когда вы смотрите на возможности JWST и Хаббла, бок о бок- С другой стороны, можно ожидать, что наш новейший космический телескоп может сделать гораздо больше за меньшее время. Принимая во внимание, что у Хаббла есть главное зеркало 2. Сегментированное зеркало JWST диаметром 4 метра имеет размах 6,5 метра. Это приводит к тому, что разрешение на 270% выше (для света с той же длиной волны), а светосила на 730% больше, чем у Хаббла. Судя только по физике оптики, вот насколько JWST должен быть лучше и быстрее, чем Хаббл, не считая преимуществ, которыми JWST также обладает с точки зрения охлаждения, покрытия длин волн и инструментов.
Другими словами, за то же время наблюдений вы ожидаете, что JWST соберет на 730% больше света, чем Хаббл. Но у JWST, как вы можете видеть выше при сравнении составного изображения скопления галактик SMACS 0723 с изображением Хаббла, дела обстоят еще лучше.
Время Хаббла разделено на «орбиты», поскольку из своего положения на низкой околоземной орбите он совершает оборот вокруг нашей планеты каждые 96 минут. В общей сложности 6 орбит, 4 в оптических длинах волн и 2 в инфракрасных длинах волн, были использованы для создания композита Хаббла. Вы ожидаете, основываясь на простой математике, что 6 витков, умноженных на 96 минут на виток, будут равняться 9.6 часов (576 минут) времени Хаббла.
В течение первого месяца после запуска приоритетом JWST было достижение и выход на стабильную орбиту вокруг точки Лагранжа L2. Поскольку Солнце, Земля и Луна всегда позади него, нет никаких шансов, что какой-либо из этих источников когда-либо затенит его обзор. Однако Хаббл с низкой околоземной орбиты не может наблюдать за своими целями более 50% своего потенциального времени наблюдения.
Но на эти изображения ушло всего 3,4 часа или 203 минуты данных Хаббла, несмотря на то, что почти в три раза больше времени Хаббл посвятил этой цели. Для сравнения, JWST наблюдал за этой целью в течение 12,5 часов и получил данные за 12,5 часов.
Какая разница?
Расположение. Хаббл, поскольку он находится на орбите вокруг Земли, проводит более 50% своего времени с Землей (и земной атмосферой) на пути к желаемой цели и может получать полезные данные только тогда, когда его цель находится в полном, беспрепятственном поле зрения. телескоп.
Между тем, JWST находится примерно в 1,5 миллионах километров в точке Лагранжа L2. Он всегда обращен в сторону: от Солнца, от Земли и от Луны. Ему никогда не приходится бороться с этими препятствиями для нетронутых наблюдений, и поэтому его наблюдения за целями эффективны по времени на ~ 100%, в отличие от менее чем на ~ 50%, как у Хаббла. Эта повышенная эффективность будет распространяться на все наблюдения, сделанные с помощью JWST, и должна обеспечить более быструю и качественную науку, чем когда-либо мог достичь Хаббл.
То, что казалось Хабблу космическими пустотами, в которых полностью отсутствовали какие-либо светоизлучающие объекты, можно сразу же увидеть населенными благодаря возможностям JWST. Это действительно низкоплотные области космоса с меньшим количеством объектов и меньшей массой, чем в среднем, но они не полностью пусты, что JWST удалось недавно обнаружить.
2.) Области неба, которые казались космическими пустотами, не всегда пусты, в конце концовТеоретически мы знали, что это должно быть правдой, но с самыми первыми изображениями глубокого поля JWST предоставил нам необходимое доказательство. Есть большие области космоса, в которых вообще нет ни звезд, ни галактик. С тех пор, как эти «пустоты» были обнаружены, ученые задавались вопросом, существуют ли на самом деле населяющие их объекты, которые были слишком слабыми, маленькими, маломассивными или слишком далекими, чтобы мы могли их увидеть и разрешить с помощью наших предшествующих технологий, или же эти объекты пустоты на самом деле были на 100% пусты.
Как вы можете видеть, как вверху, так и внизу, есть много областей космоса, которые казались «пустыми» для глаз Хаббла, которые богаты объектами при исследовании с помощью JWST. Да, они остаются недостаточно плотными областями космоса, но они не пусты, как некоторые надеялись или опасались. JWST может не только найти эти объекты, но и во многих случаях разрешить их и изучить их свойства, в то время как Хаббл их вообще не видел. Это поможет нам достичь одной из главных научных целей JWST: научить нас в мельчайших деталях того, как Вселенная вокруг нас выросла и стала такой, какая она есть сегодня.
Галактики бывают разных морфологий, включая спиральные, эллиптические, кольцевые, неправильные и другие различные типы и подтипы. С помощью Хаббла самые далекие галактики были видны только как пятна, которые нельзя было разглядеть. Вместо этого с помощью JWST их типы, размеры и распространенность можно отслеживать, измерять и классифицировать в космическом времени и пространстве.
3.) Наконец-то нам станет видна структура самых больших и массивных ранних галактик Когда вы посмотрите на самые тусклые, самые далекие объекты, которые удалось обнаружить космическому телескопу Хаббла, чаще всего кажутся простыми «пятнами» на небе. Но с улучшенным разрешением JWST мы можем видеть, что эти далекие объекты являются галактиками, и что эти галактики часто имеют поддающуюся обнаружению структуру.
Мы знаем, что как аккреция, так и слияния играют роль в эволюции галактик, и что относительная доля звезд, образующихся в результате каждой из них, меняется с течением времени. Кроме того, мы уже знаем, что галактики внутри галактических групп и скоплений эволюционируют по-другому с точки зрения формы (что астрономы называют «морфологией»), чем более изолированные галактики.
Но вы должны помнить: увеличение разрешения на 270% фактически означает увеличение количества пикселей, доступных для каждого источника, примерно на 700%. Галактика размером всего 3×3 пикселя для Хаббла будет выглядеть как 8×8 пикселей для JWST. Увидев, как формы и конфигурации галактик меняются в зависимости от космического времени и местоположения, мы еще одним новым способом узнаем, как наша Вселенная росла на протяжении всей своей истории.
На этом рисунке показаны различные фотометрические фильтры (вверху) и изображения HD1, которые они раскрывают или не раскрывают, а также две разные аппроксимации фотометрических данных. Обратите внимание, что даже несмотря на то, что подгонка с большим красным смещением лучше, нет никакого спектроскопического подтверждения расстояния до галактики HD1 вообще. Теперь, в эпоху JWST, все это изменится.
4.) Эпоха «галактик-самозванцев» закончилась Если вы не профессионал, вы, вероятно, не слышали этой проблемы: многие из галактик, которые мы объявили «самыми далекими из когда-либо существовавших», на самом деле оказались совсем не такими. Причина столь же проста, сколь и коварна: мы не смогли провести законную спектроскопию самых удаленных объектов с помощью современных технологий.
Что я имею в виду под «законной спектроскопией»?
Спектроскопия включает в себя разбиение поступающего света на составляющие его длины волн и поиск либо линий излучения (пиков на определенных длинах волн), либо линий поглощения (дефицитов на определенных длинах волн), которые соответствуют квантово-механическим переходам определенных элементов.. Если вы можете получить несколько линий от одного и того же элемента, вы можете определить, насколько этот свет сместился от испускаемой им длины волны из-за расширения Вселенной.
Даже с Хабблом мы не можем сделать это для самых далеких галактик, потому что его чувствительность к длине волны не распространяется достаточно далеко в инфракрасном диапазоне. Для самых далеких кандидатов в галактики мы не проводили нормальную спектроскопию примерно десять лет.
На этой иллюстрации показан спектр самой далекой галактики, идентифицированной на первом глубокопольном изображении JWST, вместе со спектральными линиями, соответствующими различным элементам и ионам. Спектр демонстрирует способность спектроскопии выявить неопровержимое расстояние и красное смещение для этого объекта, и эти методы используются для идентификации самых далеких галактик, обнаруживаемых JWST.
С появлением JWST и его необычайной чувствительности к длинам волн за пределами 2000 нанометров, однако, все эти неизвестные исчезнут. Любая галактика, являющаяся кандидатом на большое красное смещение, такая как HD1 и GN-z11, два нынешних «рекордсмена», теперь будет подвергнута истинному спектроскопическому подтверждению, чего ни одна из них раньше не подвергалась. Как показывают первые спектры JWST, фактически мы можем сделать это для каждой галактики, которую хотим измерить, и получим:
- кислород,
- водород,
- и неоновые линии,
среди потенциальных других, в любом объекте, где они присутствуют.
Астрономы, как правило, бывают двух видов: те, кто делает экстраординарные заявления о том, что там происходит, имея лишь намек на необходимые доказательства, и те, кто не принимает эти утверждения, пока не будут получены доказательства в пользу из них становится подавляющим. Теперь, когда мы живем в эпоху JWST, у нас наконец-то есть возможность собрать неопровержимые доказательства, необходимые для точного определения свойств галактики прямо у нас под рукой; больше нет необходимости в догадках или предположениях. Наука не в том, чтобы рассматривать недостаточные доказательства и выбирать, во что верить; речь идет о демонстрации того, что реально и верно, без сомнения. Благодаря возможностям JWST мы собираемся заменить «мы думаем» на «мы знаем» по всей Вселенной.
Отдельные галактики, видимые на этом композите Хаббла/JWST, гораздо более четко разрешены в версии JWST. Если спектроскопия может быть выполнена на отдельных компонентах одной и той же галактики, что должно быть возможно при достаточно длительных экспозициях даже для видимых здесь далеких галактик, мы должны быть в состоянии измерить вращательные свойства вещества внутри, используя различные модели темной материи и модифицированные гравитационные теории к испытанию.
5.) Мы сможем исключить всевозможные версии модифицированной гравитации Одна из самых прекрасных вещей Что касается идеи темной материи, так это то, что она объясняет так много наблюдаемых явлений в стольких различных масштабах всего лишь одним этим дополнением. Вселенная с темной материей может объяснить:
- как вращаются и взаимодействуют отдельные галактики,
- как галактики группируются и собираются вместе,
- как движутся галактики внутри скопления,
- как гравитационное линзирование искажает и увеличивает фоновые объекты,
- как формируется крупномасштабная структура Вселенной,
- и как должны появляться и распределяться несовершенства, отпечатанные в остаточном сиянии Большого Взрыва.
Однако существуют также попытки объяснить некоторые из этих явлений не добавлением темной материи, а изменением законов гравитации. Это успешно при рассмотрении многих свойств отдельных галактик по отдельности; во всем остальном он менее успешен.
Некоторые версии модифицированной гравитации предсказывают, что поведение вращающихся галактик будет меняться в течение космического времени; другие версии предсказывают, что молодые вращающиеся галактики и старые вращающиеся галактики должны иметь похожие кривые вращения. Когда мы объединим разрешение и спектроскопические возможности JWST и применим их к вращающимся галактикам, наблюдаемым по всей Вселенной, мы сможем исключить тот или иной класс модифицированных теорий гравитации. С другой стороны, это означает, что мы также можем проверить наши теории темной материи, как никогда раньше; что бы мы ни узнали, это будет потому, что Вселенная рассказала нам, как она ведет себя на самом деле.
На этом снимке показан центр скопления SMACS 0723, видимый Хабблом и JWST. Обратите внимание, насколько четче и лучше центральная область с JWST; то, что выглядело диффузным «мазком» с помощью Хаббла, теперь явно представляет собой серию отдельных объектов с JWST. Это открывает совершенно новую область открытий в астрономии и астрофизике.
6.) Центры скоплений галактик будут раскрыты более подробно, чем когда-либо Задумывались ли вы когда-нибудь, когда смотрите на массивное скопление галактик, что же происходит в ядре и на окраинах самой яркой, самой массивной, расположенной в центре галактики? Нам удалось разрешить только такие свойства, как:
- сколько газа присутствует,
- на что похоже звездное население внутри,
- сколько внутри него шаровых скоплений,
- и сколько вокруг него слабых галактик-спутников,
для ближайших галактических скоплений из всех. Для большинства из них мы можем видеть только рассеянный, неразрешенный, избыточный свет, известный как внутрикластерный свет, исходящий от них.
Но теперь, с мощью JWST, мы сможем увидеть, какие структуры присутствуют вокруг этих центральных галактик; он сможет разрешать маленькие, тусклые галактики, которые в противном случае просто «слились бы» вместе с более низким разрешением. Возможно, мы даже сможем использовать это для объяснения распределения источников света внутри скопления, а также для обнаружения и определения свойств галактик-спутников и шаровых скоплений в гало галактик, как никогда раньше. Мы уже видим на самом первом изображении глубокого поля JWST то, что иначе было бы невозможно увидеть без него.
Этот вид демонстрирует разницу между представлениями JWST NIRCam и MIRI: NIRCam намного четче и показывает больше объектов. Изображение MIRI показывает пыльные детали, которые, однако, не может показать ни одна другая длина волны, включая обилие и состав пыли внутри, что связано с потенциалом звездообразования и формирования жизни в галактике. В представлении MIRI красный цвет=богат газом; синий=с низким содержанием газа (но все еще присутствует); зеленый=органические молекулы, особенно полициклические ароматические углеводороды.
7.) Его беспрецедентные изображения в среднем инфракрасном диапазоне позволяют обнаружить органические соединения, такие как углеводороды, по всей Вселенной Да, это правда: Глубокое поле JWST визуально наиболее эффектно на более коротких длинах волн. Изображения NIRCam, которые содержат длины волн от ~ 600 нанометров до ~ 5000 нанометров, имеют гораздо более высокое разрешение, чем изображения MIRI, которые охватывают от ~ 5000 нанометров до ~ 28 000 нанометров. В конце концов, разрешение вашего телескопа определяется количеством длин волн света, которые могут поместиться в диаметре вашего главного зеркала, а с зеркалом фиксированного диаметра 6,5 метра изображения NIRCam будут давать вам более высокое разрешение, чем MIRI каждый раз.
Но длины волн среднего инфракрасного диапазона подчеркивают особенность, к которой длины волн ближнего инфракрасного диапазона практически нечувствительны: пыль. Это нейтральное вещество является не только основным ингредиентом звездообразования, изобилующим «красным» цветом на изображениях MIRI и недостаточным «синим» на изображениях MIRI, но также обнаруживает молекулы, которые излучают только на определенных длинах волн. «Зеленые» галактики на изображениях MIRI содержат различные химические соединения, в том числе углеводороды, которые намекают на способность галактик вмещать обитаемые миры. Именно все данные, взятые вместе, могут раскрыть наибольшее количество информации о Вселенной.
По сравнению со старым изображением этой части скопления галактик SMACS 0723, полученным Хабблом, изображение JWST более четкое, охватывает больший диапазон длин волн и позволяет обнаружить и разрешить более слабые и удаленные объекты, чем когда-либо прежде. Детали, которые никогда раньше не видели и не измеряли во Вселенной, вдруг стали доступны всем нам.
Эти семь уроков - только начало великой космической науки, которая начинается с началом эры JWST. Многие из галактик, которые вытянуты в дуги или визуально кажутся очень красными, подвергаются гравитационному линзированию, и исходные данные JWST достаточно хороши, чтобы сразу сказать нам, какие точки света являются несколькими изображениями одной и той же галактики, а какие - отдельными галактиками. Теперь, когда полный набор инструментов полностью введен в эксплуатацию, этот вид глубокого поля показал нам Вселенную такой, какой она никогда прежде не была.
Самое важное, что нужно иметь в виду, это то, что это изображение глубокого поля, как и все изображения, которые были частью первого научного выпуска JWST, представляют данные менее чем за день. Хаббл, для сравнения, работает уже 32 года, и до сих пор JWST может превзойти его по многим направлениям. У нас впереди более 20 лет работы с JWST, а новые открытия только начинаются. Как красноречиво выразился Эдвин Хаббл:
«С увеличением расстояния наши знания исчезают, и быстро исчезают. В конце концов, мы достигаем смутной границы - предельного предела возможностей наших телескопов. Там мы измеряем тени и ищем среди призрачных ошибок измерения ориентиры, едва ли более существенные. Поиск продолжится. Пока эмпирические ресурсы не будут исчерпаны, нам не нужно переходить в призрачные царства спекуляций».
Благодаря новым беспрецедентным возможностям JWST мы только начинаем видеть Вселенную буквально в совершенно новом свете.