Выпустив свой первый снимок Вселенной в глубоком поле, космический телескоп Джеймса Уэбба показал нам наш космос, как никогда раньше.
Ключевые выводы
- С выпуском Джеймсом Уэббом самого первого глубокопольного изображения скопления галактик SMACS 0723 с линзой и всех фоновых объектов, которые оно растягивает и увеличивает, мы заглянули в далекую Вселенную глубже, чем когда-либо прежде.
- Раскрыты новые особенности, обнаружены новые галактики и новые особенности ранее обнаруженных объектов, которые уникальные возможности JWST позволили нам обнаружить.
- Вот научная база того, что было сделано до сих пор, как это было достигнуто и что все это значит. Это кульминация тяжелой работы, но это только начало!
11 июля 2022 года вошло в историю, когда миру было представлено самое первое научное изображение космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). После своего выпуска он сразу же побил космический рекорд по самому глубокому взгляду на Вселенную из когда-либо сделанных: выдающийся подвиг. Этот рекорд ранее был установлен космическим телескопом Хаббла, который впервые установил рекорд в 1994 году с помощью оригинального телескопа Hubble Deep Field и неоднократно побивал свой собственный рекорд.
До первого научного релиза JWST самое глубокое изображение нашего космоса было получено с помощью телескопа Хаббла eXtreme Deep Field: область пространства настолько мала, что занимает всего 1/32 000 000 часть неба. В нем было обнаружено 5500 галактик, охватывающих почти всю историю Вселенной: всего от 400 миллионов лет после Большого Взрыва до сегодняшнего дня, или от того, когда Вселенная составляла всего 3% от своего нынешнего возраста, до ее нынешнего состояния.
Это изображение ниже представляет собой самый глубокий вид Вселенной за целое десятилетие. Но просто используя свой набор инструментов для наблюдения за обычным галактическим скоплением SMACS 0723, JWST показал нам Вселенную такой, какой мы ее никогда раньше не видели. Вот наука, стоящая за изображением, а также то, что дает нам такой беспрецедентный вид.
В течение 50 дней, в общей сложности более 2 миллионов секунд общего времени наблюдений (эквивалент 23 полных дней), телескоп Хаббла eXtreme Deep Field (XDF) был построен из части предыдущее изображение сверхглубокого поля Хаббла. Сочетая свет от ультрафиолета до видимого света и вплоть до ближнего инфракрасного диапазона Хаббла, XDF представляет собой самый глубокий взгляд человечества на космос: рекорд, который держался до тех пор, пока 11 июля 2022 года не было выпущено первое глубокое поле JWST.
Есть несколько ключей к «глубокому» взгляду на Вселенную. Во-первых, найти относительно чистый участок неба:
- без ярких звезд Млечного Пути в поле его зрения,
- без ярких, протяженных, очень близких галактик поблизости,
- где есть лишь небольшое, незначительное количество нейтрального, блокирующего свет вещества из-за переднего плана Млечного Пути,
- и где даже самые яркие оставшиеся звезды и галактики настолько тусклые, что не смогут насытить детекторы и инструменты ни при каких настройках.
Затем, используя как можно больше соответствующих фильтров (которые исследуют очень определенный диапазон длин волн), вы делаете серию изображений, на которых вы просто собираете свет, по одному фотону за раз, из одной и той же области небо. Изображения, использующие один и тот же фильтр, т. е. отображающие область неба в одном и том же диапазоне длин волн, затем «складываются» вместе: свет от каждого отдельного кадра суммируется, экспонируя самые слабые объекты, воспринимаемые в этом диапазоне длин волн..
И, наконец, несколько разных фильтров объединяются для создания изображений. Мы назначаем цвета каждому фильтру или набору фильтров, а затем наши глаза интерпретируют данные так же, как мы интерпретируем полноцветную фотографию.
Эта фотография 1911 года демонстрирует технику аддитивного смешивания цветов применительно к фотографии. К объекту были применены три цветных фильтра: синий, желтый и красный, в результате чего были получены три фотографии справа. Когда данные из трех складываются вместе в правильных пропорциях, получается цветное изображение.
Космический телескоп Хаббл изначально был спроектирован как оптическая обсерватория: оптимизирован для наблюдения за теми же длинами волн света, к которым чувствительны человеческие глаза. Поскольку он расположен в космосе, намного выше земной атмосферы, у него нет тех ограничений, которыми обладает наземный телескоп: он может смотреть на длинах волн, которые в противном случае блокируются земной атмосферой. Это означает, что он может видеть и ультрафиолетовый (более коротковолновый) свет, когда атмосфера для него лишь частично прозрачна, и он также может видеть инфракрасную (более длинноволновую) часть спектра, где только выбор длины волны диапазоны не полностью блокируются нашей атмосферой.
Каждый диапазон длин волн будет иметь свое собственное уникальное разрешение, когда речь идет о собранном свете. Как правило, разрешение определяется количеством длин волн света (в данном конкретном диапазоне длин волн), которые соответствуют диаметру главного зеркала вашего телескопа. Хотя человеческое зрение простирается от 400 до 700 нанометров, телескопы могут назначать фильтры для покрытия любого диапазона длин волн, который пожелает оператор.
Для Хаббла с его зеркалом диаметром 2,4 метра это означает, что его «синий» фильтр (около 400 нанометров) имеет вдвое более высокое разрешение, чем его «красный» фильтр (около 800 нанометров).), а его инфракрасные фильтры (которые охватывают диапазон от 1050 нанометров до 1600 нанометров) опять-таки лишь вдвое менее резкие на самых длинных волнах.
Эта трехпанельная анимация показывает, как скопление галактик SMACS 0723 выглядит с фильтрами видимого света Хаббла (R, G и B), инфракрасными фильтрами (четыре диапазона длин волн от 1 до 1,6 микрона) и с все семь фильтров сложены вместе (составные). Разрешение для каждого более длинноволнового фильтра уменьшается.
Выше вы можете увидеть, как несколько разных изображений скопления галактик SMACS 0723 - цели первых научных наблюдений JWST - выглядели глазами Хаббла. Хотя вы не можете точно сказать, на самом деле есть семь различных наборов фильтров, используемых как часть окончательного композитного изображения. Для Хаббла:
- есть три оптических фильтра на 435, 606 и 814 нанометров, назначенных для красного, зеленого и синего соответственно,
- есть четыре инфракрасных фильтра на 1050, 1250, 1400 и 1600 нанометров, все они назначены и объединены в один и тот же инфракрасный канал,
- и общий состав объединил все семь фильтров, назначив «синий» каналу 435 нм, «зеленый» каналу 606 + 814 нм и «красный» всем четырем инфракрасным каналам вместе взятым.
Просматривая детали этих каналов по отдельности, вы можете заметить множество особенностей. Более холодные звезды и рассеянный звездный свет ярче в инфракрасном диапазоне. Детали диска галактики наиболее четкие на самых коротких длинах волн и становятся более размытыми на все более и более длинных волнах. Это ожидаемо, но также важно увидеть это в действии. Фильтр на 1600 нанометров не только на четверть хуже, чем фильтр на 400 нанометров; это на самом деле только одна шестнадцатая как хорошо. Галактика, занимающая 64 пикселя (8 на 8) в синем фильтре Хаббла, заняла бы только 4 пикселя (2 на 2) в самом дальнем инфракрасном фильтре Хаббла.
Это изображение ядра скопления галактик SMACS 0723 показывает, как меняется разрешение от более коротковолновых к более длинноволновым каналам. Разница в разрешении, особенно когда вы смотрите только на инфракрасный канал, весьма существенна.
Есть два действующих фактора, которые на фундаментальном уровне ограничивают то, что может видеть Хаббл; эти два фактора буквально определяют разницу между Хабблом и его преемником: JWST.
1.) Хаббл теплый; JWST холодныйЕсли вы хотите обнаружить что-либо, и это касается чего угодно, когда-либо, при любых обстоятельствах, вы должны иметь возможность видеть сигнал от того, что вы измеряете, помимо шума, присущего ваш инструмент. Инфракрасное излучение - просто следствие тепла: объекты при определенной температуре излучают тепло, и это тепло проявляется в виде фотонов с определенной длиной волны. Чем вы горячее, тем больше фотонов вы испускаете с более высокими энергиями (и с более короткими и короткими длинами волн).
На низкой околоземной орбите Хаббл, даже завернутый в свое высокоотражающее покрытие, все еще колеблется где-то в районе 200 К и выше. Это то, что ограничивает ее возможности по длине волны: за пределами ~ 2000 нанометров (2 микрона) или около того обсерватория производит слишком много собственного внутреннего излучения, чтобы заниматься полезной наукой. JWST, благодаря своему 5-слойному солнцезащитному экрану, пассивно охлаждается до температуры ниже 40 K для всех своих инструментов, включая NIRCam, камеру ближнего инфракрасного диапазона, которая может видеть до ~ 5000 нанометров (5 микрон) без каких-либо активное охлаждение. А затем MIRI, среднеинфракрасный прибор, активно охлаждается до 6 К, что позволяет ему видеть свет в диапазоне от 5000 до 28000 нанометров (5-28 микрон) в его предельных пределах.
Эта упрощенная анимация показывает, как происходит красное смещение света и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. Поскольку расстояния между объектами не остаются постоянными с течением времени, расширяющаяся Вселенная не обладает инвариантностью к переносу времени, и следствием этого является то, что энергия не сохраняется в космическом масштабе. Все более удаленные объекты становятся видимыми, когда давно излучаемый свет, проходящий через миллиарды лет, впервые начинает достигать наших глаз. Это остается верным даже в богатой темной энергией Вселенной.
Это очень, очень важно для научных открытий, поскольку вы не можете увидеть самые отдаленные объекты, глядя на те же длины волн, что и те, на которых этот свет исходил изначально. Вселенная не статична, она расширяется: далекие, гравитационно несвязанные галактики удаляются друг от друга на фоне расширяющегося пространства. Когда далекий объект излучает свет - даже изначально очень синий свет - расширение Вселенной растягивает этот свет во все более и более длинные волны.
Хаббл, даже на самых длинных волнах, к которым он чувствителен, не может вернуть нас к галактикам, которые излучают свет первых ~3% истории Вселенной. Но благодаря своим возможностям NIRCam и MIRI JWST может видеть гораздо более длинные волны, что позволяет ему обнаруживать объекты, которые не обнаруживаются более теплыми обсерваториями.
На самом деле, вы можете увидеть это, если вспомните, что Хаббл выходит за свои пределы лишь немного за пределами 1.6 микрон, как показано серой полосой на изображении ниже. Но JWST может видеть свет примерно в 3 раза дольше только с помощью своего прибора NIRCam, в том числе с многочисленными фильтрами, которые были бы бесполезны на борту Хаббла.
Предварительная общая пропускная способность системы для каждого фильтра NIRCam, включая вклад элемента оптического телескопа JWST (OTE), оптической цепочки NIRCam, дихроиков, фильтров и квантовой эффективности детектора (QE). Пропускная способность относится к эффективности преобразования фотонов в электроны.
Есть объекты настолько далекие, что их свету требуется 13,4 миллиарда лет или больше, чтобы добраться до нас, и это выводит нас за пределы ограничений Хаббла. Но именно здесь находится космическая граница: за пределами того, что мы уже видели с ранее существовавшими технологиями. Если мы хотим увидеть самые ранние галактики, первые звезды и самые молодые объекты, когда-либо формировавшиеся во Вселенной, мы просто должны выйти за рамки возможностей современных технологий. Это означает более длинные волны и более холодные обсерватории, и это именно то, что предлагает JWST.
Но это даже лучше, чем NIRCam. Используя прибор MIRI, который является единственным прибором с активным охлаждением на борту JWST, мы можем выйти на колоссальную длину волны, в 14 раз превышающую максимальную длину волны, к которой чувствителен космический телескоп Хаббла.
Из-за ограничений длины волны Хаббла многие из галактик, которые в настоящее время классифицируются как самые далекие, включая сомнительного рекордсмена HD1, на самом деле не имеют необходимого спектроскопического подтверждения, потому что спектральные линии, которые мы д искать, выходят за рамки возможностей даже лучших инструментов Хаббла. Однако благодаря изысканному и всестороннему охвату длин волн JWST эта проблема исчезнет.
Колесо фильтров MIRI включает в себя: 10 фильтров для визуализации, 4 фильтра-диафрагмы, комбинации для коронографии, один фильтр нейтральной плотности, одну двойную призму ZnS-Ge для режима LRS, одно положение непрозрачности для темноты и одна линза для наземных испытаний. Эти наборы фильтров позволяют нам видеть среднюю часть инфракрасного спектра, как никогда раньше, но только при достаточно низких температурах.
Вот почему так важен увеличенный диапазон длин волн, если мы хотим преодолеть ограничения Хаббла, что и делает JWST. Но есть и другой способ, которым JWST превосходит Хаббл, и это не менее важно.
2.) Размер телескопа определяет как разрешение, так и светосилу Если вы хотите заглянуть дальше в далекую Вселенную и увидеть особенности, которые вы не могли видеть раньше, вы должны увеличить общее количество света, которое вы захватываете, а также наблюдать Вселенную с превосходным разрешением. С JWST изображения NIRCam, особенно на самых низких длинах волн, будут давать более четкие изображения, чем когда-либо мог Хаббл, благодаря большому 6,5-метровому главному зеркалу, диаметр которого составляет 270% от диаметра Хаббла.
Но на всех длинах волн JWST собирает более чем в 7 раз больше общего количества света, чем Хаббл, а это означает, что он может не только выявлять более слабые и удаленные объекты, чем когда-либо мог Хаббл, но и что он может это делать. с меньшим временем наблюдения, чем когда-либо потребовалось бы Хабблу. То, на что Хабблу требуется неделя, JWST может сделать лучше за день. То, на что Хабблу требуется два месяца, JWST может превзойти за неделю.
Причина, по которой JWST может видеть то, чего не может Хаббл, заключается в разнице в размере, температуре, диапазоне длин волн и соответственно оптимизированном наборе инструментов.
JWST, теперь полностью готовый к работе, обладает в семь раз большей светосилой, чем Хаббл, но сможет видеть намного дальше в инфракрасной части спектра, обнаруживая те галактики, которые существовали еще раньше, чем Хаббл когда-либо мог видеть благодаря своим возможностям на более длинных волнах и гораздо более низким рабочим температурам. Популяции галактик, наблюдавшиеся до эпохи реионизации, должны быть обнаружены во множестве, а старый космический рекорд Хаббла уже побит.
Итак, разобравшись со всем этим, давайте подробно рассмотрим самое первое изображение глубокого поля с JWST!
Как и ожидалось, речь идет о скоплении галактик SMACS 0723, хотя речь идет и о гораздо большем. Это массивное скопление галактик содержит тысячи галактик, аналогичных Млечному Пути (или более массивных), и представляет собой огромную концентрацию массы во Вселенной. Присутствия этой массы достаточно, чтобы действительно искривить и исказить ткань пространства-времени, в результате чего свет из-за скопления стал:
- согнут,
- искаженный,
- часто разбивается на несколько изображений,
- и, пожалуй, самое главное, в увеличенном виде.
Сила гравитационного линзирования, и явно сильное гравитационное линзирование, выявляет фоновые источники, которые в противном случае практически никогда не были бы видны. Но это естественное увеличительное стекло усиливает свет, который мы получаем, даже на таких длинных волнах, поэтому JWST может выявить ряд объектов, которых раньше не видели, потому что они были либо слишком слабыми, либо слишком далекими (и, следовательно, их длина волны была растянута до слишком большой). значение, которое будет видно ранее), или их комбинация.
Это составное изображение мигалки было создано путем поворота нашего первого изображения из опубликованного Белым домом первого научного изображения JWST и вставки его поверх предыдущего изображения Хаббла. Количество обнаруженных новых функций впечатляет.
Но посмотрите, что мы видим! По сравнению даже с полным составным изображением Хаббла той же самой области, JWST видит как объекты, которые никогда раньше не экспонировались, так и детали ранее обнаруженных объектов, которые до этого были совершенно неясны. В этом первом JWST Deep Field содержатся:
- количество тусклых «капель», которых не видно на изображении Хаббла, соответствующих галактикам, которые были слишком слабыми и/или слишком длинными по длине волны, чтобы их можно было увидеть ранее,
- ряд объектов, которые раньше выглядели только как слабые пятна, которые теперь имеют очевидную структуру, такую как спиральные рукава, в результате улучшенного разрешения JWST, светосилы и превосходного охвата длины волны,
- более яркое, широкое свечение из центральной области: пример того, что почти наверняка является внутрикластерным светом, присущим большинству скоплений галактик, которые не сильно обеднены газом,
- и многочисленные случаи «пятен», которые были замечены ранее, которые теперь видны как несколько галактик, которые кажутся перекрывающимися: потрясающая демонстрация превосходного разрешения JWST.
Хотя официальное изображение не включает научные данные, утверждается, что свет от ряда этих объектов исходил к нам еще 13,5 миллиардов лет назад: отодвигая наши самые ранние космические представления назад примерно на 100 миллионов лет. При ближайшем рассмотрении, даже без знания каких-либо подробностей, на изображении JWST видны объекты, которые просто невозможно было увидеть с помощью технологии Хаббла.
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 видим, насколько большой потенциал открытий ждет ученых JWST, включая предоставление четкого визуального сигнала внутрикластерного света вблизи центра скопления. Обратите внимание, что свет внутри скопления можно измерить только из космоса, поскольку свечение неба на Земле ярче, чем свет, который мы пытаемся измерить.
При всем сказанном важно помнить следующее: это только начало для JWST. Это изображение вместе со всеми рекордными данными, содержащимися в нем, включая беспрецедентные виды сверхдальних галактик, невиданных ранее квазаров и звездного населения внутри каждого из них, является лишь первым глубокопольным изображением Вселенная, созданная JWST. Это не будет самым глубоким; это не будет самым длинным; это не будет самая широкая или самая большая область взглядов JWST. Это всего лишь первый научный результат использования новой обсерватории таким особым образом.
В ближайшие годы и десятилетия будет побито огромное количество космических рекордов, причем большинство из них снова и снова. Через десять лет у нас, вероятно, будут десятки галактик, более тусклых, более далеких и с более нетронутым звездным населением, которые превзойдут любого из космических рекордсменов, скрывающихся в линзовом поле этого галактического скопления. Официально начинается новое поколение астрономии. Хотя лучшее еще впереди, каждое новое наблюдение, особенно на этой ранней стадии, впервые раскрывает новую часть нашей общей космической истории. Вселенная для всех, кто ее изучает, уже никогда не будет прежней.