Теперь, когда космический телескоп Джеймса Уэбба полностью введен в эксплуатацию, он начинает свое исследование Вселенной. Вот его первые научные изображения!
Ключевые выводы
- Первые пять научных целей для космического телескопа Джеймса Уэбба были выбраны тайно, и данные были окончательно обнародованы 12 июля 2022 года.
- От областей звездообразования до ее первого спектра экзопланеты, звездного остатка, группы галактик и изображения глубокого поля - мы сразу видим множество возможностей JWST.
- Это смелое и впечатляющее начало научной миссии JWST, которая должна длиться более 20 лет, с множеством новых впечатляющих открытий.
Наконец-то настал момент: космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) полностью развернут, полностью функционирует и полностью введен в эксплуатацию. По состоянию на 12 июля 2022 года он официально вернул свой первый набор научных данных, проливая новый свет на серию из пяти целей, демонстрирующих широту возможностей обсерватории. С самого начала ученые, использующие JWST, решили исследовать:
- туманная область звездообразования в нашей собственной галактике,
- спектр экзопланеты,
- изолированная умирающая звезда, похожая на Солнце,
- сплоченная, компактная группа галактик,
- и изображение в глубоком поле с центром в массивном скоплении галактик.
Все эти цели наблюдались раньше, но никогда не с помощью тех возможностей, которыми обладает JWST. Впервые в истории мы живем в эпоху космического телескопа Джеймса Уэбба с беспрецедентным разрешением, светосилой, охватом длины волны и инструментальными возможностями. От Солнечной системы до экзопланет и протопланетных систем, от звезд до звездных скоплений и межзвездной среды, от черных дыр до галактик и крупномасштабной структуры Вселенной, JWST теперь начинает показывать нам космос в совершенно новом свете.
Давайте посмотрим, что, наконец, увидели его золотые сегментированные глаза.
«Космические утесы», видимые здесь в туманности Киля, также известной как NGC 3324, демонстрируют границу между плотной стенкой пузыря и полостью, заполненной молодыми звездами. Изображение Хаббла отображается поверх изображения JWST NIRCam, где превосходное разрешение JWST и охват длин волн отображаются в полном объеме.
1.) Туманность Киля
Расположенная на расстоянии от 7000 до 8000 световых лет в пределах нашего Млечного Пути, Туманность Киля представляет собой огромную область звездообразования, простирающуюся почти на 300 световых лет от начала до конца. Это массивное облако молекулярного газа неравномерно коллапсирует, что приводит к волнам нового звездообразования и большому количеству компактных звездных скоплений. Внутри некоторые из этих молодых звезд весят более 100 солнечных масс, вызывая звездные катаклизмы и взрывные события, которые эхом разносятся по всему космосу. Он настолько обширен, что, если бы JWST был посвящен исключительно наблюдению за всей туманностью с помощью полного набора инструментов, на выполнение этой задачи ушли бы годы.
Но вместо этого JWST взглянул на одну очень маленькую специфическую область в туманности Киля: NGC 3324, молодую область звездообразования, в просторечии известную как «Космические скалы».
Несмотря на то, что здесь было раскрыто множество интересных научных подробностей, возможно, лучший способ познакомиться с достижениями JWST - это просто посмотреть на сравнение того, что происходило в этом регионе до и после. выглядела глазами лучшей предыдущей обсерватории (в данном случае Хаббла), и увидеть, как она выглядит через объектив нашего новейшего, самого мощного космического телескопа как в ближнем, так и в среднем инфракрасном диапазоне.
То, что выглядит как скалистые горы в лунный вечер, на самом деле является краем соседней молодой области звездообразования NGC 3324 в туманности Киля. Захваченные JWST в ближнем инфракрасном диапазоне (вверху) и среднем инфракрасном диапазоне (внизу) позволяют увидеть разные, но дополняющие друг друга наборы функций, которые можно увидеть обоими инструментами.
На одной стороне «утесов» вы можете увидеть гигантскую полость, вырезанную горячими, молодыми, недавно сформировавшимися звездами, которые находятся в правом верхнем углу от утесов, как показано здесь. Радиация и ветер взрывают нейтральную материю, испаряя ее извне. Но с другой стороны, в богатой газом области активно формируются новые звезды до того, как их материал истощится. Конфликт приводит к множеству функций.
- То, что кажется «голубым паром», поднимающимся с вершины гор, представляет собой горячий ионизированный газ, выдуваемый из области туманности.
- То, что кажется «столбами», возвышающимися над газом, на самом деле представляет собой более плотные сгустки материи, немного более устойчивые к выкипанию под действием внешнего излучения. В некоторых случаях внутри них уже формируются новые звезды.
- Внутри газонасыщенной области можно увидеть полости; они выдуваются новорожденными звездами, которые успешно ионизируют газообразный материал изнутри.
- Плюс выбросы и струи материала возникают из богатой газом области, впечатляющее явление, имеющее множество различных специфических воплощений.
За относительно короткий для астрономов промежуток времени - всего от 50 000 до 100 000 лет - форма и состав этого региона резко изменятся. Отдельные звезды могут формироваться от начала до конца в течение такого короткого промежутка времени, и это, вероятно, все время, которое будет у многих из них. Как и во многих других местах во Вселенной, между гравитацией и другими диссипативными силами происходит космическая гонка. Только там, где побеждает гравитация и формируются новые звезды, можно будет обнаружить выживших после того, как исчезнет газ.
Как и многие планеты «горячего Юпитера», WASP-96b проходит перед своей родительской звездой, блокируя при этом до ~1,5% света родительской звезды. Часть звездного света, которая фильтруется через атмосферу экзопланеты во время транзита, позволяет JWST выполнять транзитную спектроскопию и выявлять ее атмосферное содержимое.
2.) Экзопланета WASP-96b
Как и многие из первых обнаруженных экзопланет, WASP-96b представляет собой планету газового гиганта, которая очень плотно обращается вокруг своей родительской звезды: с периодом всего 3,4 дня. Звезда, вокруг которой он вращается, похожа на наше Солнце: звезда класса G примерно такой же массы, радиуса и температуры, что и наша родительская звезда. Гигантская планета гравитационно притягивает свою родительскую звезду настолько сильно, что заставляет звезду «раскачиваться» на своей орбите, что позволяет нам определить, что хотя эта экзопланета такая же большая, как Юпитер, ее масса составляет лишь половину массы Юпитера.
Между тем, его очень близость к родительской звезде гарантирует, что температура его атмосферы резко возросла: до 1300 К, что примерно постоянна на всей планете днем и ночью. В целом ожидается, что этот класс экзопланет «горячего Юпитера» будет иметь очень глубокие и сильные спектроскопические характеристики по очень простой причине: большая, глубокая атмосфера экзопланеты создает большие, глубокие эмиссионные (и поглощающие) линейные сигналы. Обычно газовые планеты-гиганты богаты облаками, но именно поэтому WASP-96b особенный: на нем практически нет облаков.
Наблюдение за спектром - это не то, с чем большинство из нас знакомо, но давайте подробно рассмотрим этот спектр, чтобы понять, что в нем примечательного.
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба зафиксировал отчетливые следы воды, а также доказательства существования облаков и дымки в атмосфере, окружающей горячую газовую планету-гигант, вращающуюся вокруг далекой звезды, похожей на Солнце. Экзопланетные спектры легко получить для больших, пухлых планет, но JWST охотится за меньшими, более серьезными призами.
Возможно, вам интересно, что скрывается под облаками газовых гигантов в нашей Солнечной системе, таких как Юпитер. Конечно, мы этого не видим, потому что облака Юпитера мешают. Но для WASP-96b отсутствие облаков означает, что мы можем видеть то, что находится в глубинах атмосферы газового гиганта, и впервые у нас есть ответ: вода. Ух ты, сколько воды в атмосфере этой экзопланеты!
Мы ранее обнаруживали присутствие натрия, и он определенно все еще там, но это было потому, что мы были ограничены длинами волн, которые мы могли видеть ранее. (А натрий излучает и поглощает в оптических длинах волн.) Но на более длинных волнах молекулы воды возбуждаются и гасят возбуждение с определенной сигнатурой, и JWST - первая обсерватория, способная извлечь спектр с отпечатанными на нем характерными сигналами воды. Он присутствует, его много, и это только начало; возможно, всего через несколько лет мы узнаем, все ли газовые гиганты, включая наш собственный, так же богаты водой, как WASP-96b.
Наложенное на (более старые) данные Хаббла, изображение туманности Южное кольцо, сделанное JWST NIRCam, явно превосходит его по целому ряду параметров: разрешение, раскрытые детали, протяженность внешнего газа и т. д. действительно впечатляющее открытие того, как звезды, подобные Солнцу, заканчивают свою жизнь.
3.) Туманность Южное Кольцо
Когда-нибудь, нравится нам это или нет, Солнце умрет. Такова судьба всех звезд: они сплавляют легкие атомы в более тяжелые в своих ядрах, и когда они исчерпывают топливо, которое они могут синтезировать, их ядра сжимаются и нагреваются. Если они достигают достаточно высоких температур, чтобы начать синтезировать продукты предыдущей реакции синтеза, звезда может прожить немного дольше, достигнув следующей стадии звездного жизненного цикла. Но большинству звезд, включая Солнце и звезду, из которой образовалась туманность Южное кольцо, никогда не удастся пройти стадию синтеза гелия.
Когда звезда, подобная Солнцу, умирает, это происходит поразительным образом. Во-первых, он мягко сдувает свои внешние слои, создавая богатую газом предпланетарную туманность. Затем ядро звезды сжимается до тех пор, пока не станет размером с планету Земля, несмотря на то, что содержит почти полную солнечную массу материала. Это сжатие заставляет звездный остаток, который становится белым карликом, нагреваться, что, в свою очередь, нагревает, ионизирует и выбрасывает наружу материал, уже присутствующий на окраинах. Эти планетарные туманности расширяются, сияя всего несколько тысяч лет, прежде чем полностью исчезнуть. С его новым взглядом на Вселенную, взгляды JWST намного превосходят предыдущие лучшие (Хаббловские) представления.
В ближнем инфракрасном диапазоне видны усики на окраинах и яркая центральная выпуклость, в то время как изображение MIRI показывает, что усики, как и более близкий объект, явно являются внешними галактиками, и в то же время выявление бинарной природы центральной системы.
Во-первых, это не одиночная изолированная звезда, как наше Солнце, а скорее часть двойной системы. Впервые инфракрасные глаза JWST выявили оба компонента: это действительно бинарная система. Во-вторых, если вы посмотрите на окраину туманности (слева), вы увидите нечто похожее на усик; это было на самом деле идентифицировано как фоновая спиральная галактика с ребра, которая просто перекрывается на небе с окраинами Туманности. (Ближе к самой туманности есть еще одна галактика, обращенная лицом к лицу.) Вы также можете видеть, как меняется температура по всей туманности, поскольку разные длины волн света освещаются с относительно разной яркостью областями с разной температурой.
Но больше всего меня поражает то, насколько четкими являются изображения туманности Южное Кольцо, сделанные JWST. Вы можете видеть узлы в газе и пыли; вы можете видеть, насколько тонким является материал снаружи «пузыря» по сравнению с его внутренней частью, и как вдоль края пузыря расположены похожие на веревки структуры.
В астрономии существует идея, что, возможно, вам нужно иметь двойную систему-прародительницу, чтобы дать начало видимой планетарной туманности, и подтверждение того, что туманность Южное Кольцо возникает из двойной системы, подтверждает это. вид довольно сильный. Уже со своими первыми научными результатами JWST предоставляет доказательства, которые могут помочь решить некоторые из самых давних космических загадок.
Этот контраст взгляда Хаббла на Квинтет Стефана с представлением JWST NIRCam показывает ряд особенностей, которые едва заметны или вообще не очевидны, с более коротким набором более ограничивающих длин волн. Различия между изображениями подчеркивают, какие особенности может выявить JWST, которые пропускает Хаббл.
4.) Квинтет Стефана
Обнаруженный почти 150 лет назад, этот квинтет галактик является одновременно и первой из когда-либо обнаруженных компактных групп галактик, и одновременно не тем, чем кажется. Две галактики, находящиеся на расстоянии 290 миллионов световых лет от нас, находятся в процессе слияния, граничащие с двумя другими галактиками, которые одновременно гравитационно взаимодействуют друг с другом. А вот пятая галактика - яркая, острая спиральная галактика - совершенно не имеет отношения к этому. Просто так случилось, что он расположен точно на той же прямой видимости, но удален от него всего на 40 миллионов световых лет; «квинтет» с нашей точки зрения только кажущийся.
Но эти взаимодействующие галактики на самом деле являются частью более крупной и обширной группы галактик; два, которые находятся в процессе слияния, и два, которые примыкают к нему, окружены другими в более широком обзоре. Сталкивающиеся и сливающиеся галактики выбрасывают газ, формируют новые звезды и создают потоки вещества, светящегося на различных длинах волн света. Хотя рентгеновское излучение ранее наблюдалось на границе этих сталкивающихся галактик, JWST дает нам возможность исследовать более длинные волны с более низкой энергией, буквально проливая новый свет на эту впечатляющую группу.
Благодаря мощному инфракрасному видению и чрезвычайно высокому пространственному разрешению Уэбб показывает невиданные ранее детали в этой группе галактик. Сверкающие скопления миллионов молодых звезд и области звездообразования недавно родившихся звезд украшают изображение. Широкие хвосты газа, пыли и звезд вытягиваются из нескольких галактик из-за гравитационных взаимодействий. И ударные волны обнаруживаются среди множества фоновых галактик. Это действительно праздник для глаз!
Но с помощью инфракрасных глаз JWST мы можем видеть впечатляющие расширенные характеристики, создаваемые приливно-отливным и очищенным газом. В результате гравитационного взаимодействия формы этих галактик искажаются, но благодаря длинноволновому охвату JWST мы видим не только звезды. Вместо этого газ и нейтральная материя светятся из-за нагрева во время столкновения. Новые звезды рождаются в более далеких галактиках, находящихся на расстоянии 290 миллионов световых лет, а JWST настолько мощен, что может разрешать отдельные звезды в галактике переднего плана, которая находится всего в 40 миллионах световых лет от нас.
Моя любимая особенность - это фоновые галактики, которые кажутся даже более далекими, чем представленный здесь квинтет, и это потому, что глаза JWST достаточно острые и чувствительные, чтобы не только выделять особенности, которые мы пытаемся наблюдать., но разрешать любые удаленные источники света, видимые его инструментами. В астрономии есть старая поговорка: шум одного астронома - это данные другого астронома. Даже когда целью являются другие объекты, отдаленная Вселенная всегда находится в центре внимания всякий раз, когда JWST проводит наблюдение области космоса с длительной выдержкой.
Вид Квинтета Стефана с помощью MIRI демонстрирует особенности, которые нельзя увидеть ни на одной другой длине волны. В самой верхней галактике - NGC 7319 - находится сверхмассивная черная дыра, масса которой в 24 миллиона раз превышает массу Солнца. Он активно аккрецирует материал и излучает световую энергию, эквивалентную 40 миллиардам Солнц. MIRI смотрит сквозь пыль, окружающую эту черную дыру, чтобы увидеть поразительно яркое активное галактическое ядро. По мнению MIRI, он настолько яркий, что даже имеет характерный для JWST рисунок «шип».
Если снова сфокусироваться на самом скоплении галактик, то можно заметить, что различные длины волн света выявляют множество особенностей внутри каждой из них. Однако только в среднем инфракрасном диапазоне вы видите только газ и пыль, а также одну невиданную ранее особенность в некоторых из этих галактик: сверхмассивные черные дыры. Самая верхняя галактика активна, испуская излучение, как активно питающаяся сверхмассивная черная дыра. Разнообразие длин волн, на которых JWST может наблюдать, даже в среднем инфракрасном диапазоне, дает нам столько информации об этих объектах за считанные дни, что мы не смогли обнаружить за более чем столетие наблюдений до этого.
Глядя во Вселенную за пределы всех прежних границ, мы обнаруживаем детали, которые иначе никогда бы не поняли. Собирая спектры этих объектов и наблюдая за ними в различных диапазонах длин волн, мы можем раскопать подробные свойства этих объектов, узнать об их активности, на какой стадии эволюции они находятся и какие элементы в них присутствуют. Это только начало для JWST и следующего поколения науки; лучшее еще впереди.
Это почти идеально выровненное композитное изображение показывает первое изображение JWST в глубоком поле ядра скопления SMACS 0723 и контрастирует с более ранним изображением Хаббла. Глядя на детали изображения, отсутствующие в данных Хаббла, но присутствующие в данных JWST, мы понимаем, какой потенциал открытий ждет ученых, работающих с JWST.
5.) Скопление галактик SMACS 0723
Этот опубликован на день раньше, поэтому выше вы уже можете увидеть сравнение между более старыми данными (Хаббл), которые наблюдали его в 7 фильтрах, охватывающих как оптический, так и ближний инфракрасный диапазон длин волн, для общей суммы. 3,4 часа, с JWST, у которого было 12,5 часов общего времени наблюдений. Сразу же перед вами должно появиться множество функций.
- Центральная галактика скопления окружена не просто рассеянным «светом», но и структурой: маленькими галактиками и шаровыми скоплениями.
- Некоторые галактики очень сильно искажены в своей форме: результат гравитационного линзирования, когда массы переднего плана активно искажают (но также усиливают!) свет от фоновых объектов.
- Объекты, которые ранее были невидимы для Хаббла, теперь видны глазам JWST; объекты, которые Хаббл не мог разрешить, теперь разделены на несколько компонентов.
- Галактики, которые были просто «пятнами», теперь можно увидеть именно такими, какими они являются: спиральными, эллиптическими или даже кольцевыми галактиками.
- И множество объектов, которые находились за пределами диапазона длин волн Хаббла, попали в поле зрения JWST.
Но еще более впечатляющим является то, что мы видим, если посмотрим на разницу между изображениями в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне.
Этот вид демонстрирует разницу между видом NIRCam и MIRI: NIRCam намного четче и показывает больше объектов. Однако вид MIRI показывает впечатляющие детали, которые не видны на других длинах волн. Среди этого калейдоскопа цветов на изображении MIRI зеленый - самый дразнящий. Зеленый цвет на изображении MIRI указывает на то, что пыль галактики включает смесь углеводородов и других химических соединений.
Да, вы можете посетовать на то, что разрешение в среднем инфракрасном диапазоне не такое четкое, как в ближнем инфракрасном диапазоне; не отчаивайтесь, так как это ожидаемо. Разрешение вашего телескопа определяется количеством длин волн света, которые могут поместиться на диаметре вашего главного зеркала, и это число будет уменьшаться по мере того, как мы переходим к все более и более длинным длинам волн.
Но длинноволновый свет обнаруживает две удивительные особенности. Во-первых, он демонстрирует разницу температур между нейтральным веществом в каждой галактике; галактики, которые иначе кажутся неразличимыми в более коротких длинах волн, могут казаться совершенно другими в среднем инфракрасном диапазоне. Эти данные помогут нам лучше понять естественные вариации, которыми обладают галактики.
Но вторую особенность нельзя увидеть визуально: это спектральные линии атомов, таких как водород и кислород. Идентифицируя их, мы можем точно определить, на каком именно расстоянии и красном смещении находятся эти галактики. Окончательный космический рекорд расстояния не был побит самым первым изображением глубокого поля JWST, но вы можете быть уверены, что будущие обзоры JWST, такие как COSMOS-Web и PANORAMIC, выполнят именно эту задачу.
На JWST-изображении SMACS 0723 было обнаружено несколько очень разных объектов, и возможности спектроскопии позволили нам точно определить, насколько далеко они находятся и насколько их свет растягивается из-за расширения Вселенная. Это мощная демонстрация возможностей JWST, а также иллюстрация возможностей гравитационного линзирования. Однако лишь небольшая часть объектов, идентифицированных в этом поле, была рассмотрена спектроскопически; большинство объектов остаются неподтвержденными.
Однако важно помнить, что это только верхушка космического айсберга, который JWST в конечном итоге откроет нам. То, что было выпущено до сих пор, представляет собой только научные данные за несколько дней; у нас есть годы и десятилетия этого уровня науки, чтобы с нетерпением ждать. Первые научные результаты не включают ничего из Солнечной системы, из вновь формирующихся планетных систем, из пространства между галактиками или из самых крупных космических структур из всех.
Он также не должен был включать какие-либо данные об активных сверхмассивных черных дырах, но благодаря счастливому открытию в квинтете Стефана, в конце концов, он обнаружил неожиданное.
На подходе очень много новых открытий, и многие из них преподнесут нам еще большие сюрпризы, чем то, что мы видели до сих пор. Это напоминание о том, чего мы можем достичь, если будем работать вместе для достижения общей цели, а не сосредотачиваться на различиях, которые нас разделяют. И это еще один потрясающий пример того, что объединение наших ресурсов для достижения чего-то впечатляющего - того, что администратор НАСА Томас Цурбухен назвал «наукой цивилизационного класса», - может принести всему человечеству. В великом стремлении понять Вселенную первые научные результаты JWST действительно дали нам гигантский скачок вперед, и впереди еще много всего!