Πώς η λήψη φωτογραφιών του «Τίποτα» άλλαξε την αστρονομία
Τον περασμένο Ιούλιο αστρονόμοι που εργάζονταν με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) κυκλοφόρησαν τη βαθύτερη αστρονομική εικόνα που ελήφθη ποτέ, αφήνοντας τον κόσμο με δέος. Με φόντο ένα σμήνος γαλαξιών που ονομάζεται SMACS 0723, που φαίνεται όπως εμφανίστηκε πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, μυριάδες γαλαξίες διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών εμφανίζονται σαν φωτεινά πετράδια στο σκοτάδι του σύμπαντος. Μερικοί από αυτούς τους φάρους έλαμπαν ήδη όταν το σύμπαν ήταν μόλις μερικών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Για να κατανοήσουμε πώς φτάσαμε σε αυτό το αξιοσημείωτο επίτευγμα - πώς οι αστρονόμοι έχουν ταξιδέψει σε γαλαξιακά νησιά τόσο απομακρυσμένα από εμάς στο χώρο και στο χρόνο, συλλέγοντας φωτόνια των οποίων το ταξίδι ξεκίνησε εκπληκτικά κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη - βοηθά να γνωρίζουμε πώς έγιναν οι παρατηρήσεις σε βάθος πεδίου.
Η προέλευση του πρώτου βαθιού πεδίου του Webb εντοπίζεται καλύτερα στις αρχές της δεκαετίας του 1990, με την εκτόξευση του προκατόχου του JWST, του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Η έννοια των παρατηρήσεων σε βαθύ πεδίο ήταν ακόμη στα σπάργανα τότε. Το Hubble σχεδιάστηκε κυρίως για στοχευμένες παρατηρήσεις. Οι αστρονόμοι θα έδειχναν το τηλεσκόπιο σε μια πηγή σε ένα συγκεκριμένο σημείο στον ουρανό και θα εκθέσουν (ή θα «ενσωματώσουν») ανάλογα με τις ανάγκες, ανάλογα με τη φωτεινότητα της πηγής. Αλλά το Hubble θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για απεικόνιση σε βάθος πεδίου, το αντίθετο:οι αστρονόμοι θα έδειχναν το τηλεσκόπιο σε μια περιοχή του ουρανού χωρίς ορατή πηγή και θα χρησιμοποιούσαν πολύ μεγάλο χρόνο έκθεσης για να παρατηρήσουν όσο το δυνατόν περισσότερες αχνές πηγές φωτός. φτάνοντας «βαθιά» στον κόσμο. Από την κούρνιαμά του στη χαμηλή τροχιά της Γης, πάνω από την ατμόσφαιρα σκέδασης του αστρικού φωτός του πλανήτη μας, το Hubble ήταν η καλύτερη πλατφόρμα για την απεικόνιση βαθέων πεδίων που είχαν γνωρίσει ποτέ οι αστρονόμοι.
Δεν πίστευαν όλοι ότι η προσέγγιση θα αποδεικνυόταν επαναστατική. Σε ένα διάσημο άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Science το 1990, ο John Bahcall του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον της Νέας Υόρκης και οι συνάδελφοί του υποστήριξαν ότι μια εικόνα σε βάθος πεδίου από το Hubble δεν θα αποκάλυπτε σημαντικά περισσότερους γαλαξίες από τα επίγεια τηλεσκόπια. Ο Bahcall, ένας γίγαντας στην αστροφυσική, ήταν ευρέως γνωστός για την εργασία του στο πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων και τους υπολογισμούς του για την κατανομή των αστεριών γύρω από μια τεράστια μαύρη τρύπα. Συνέβαλε ουσιαστικά στην ανάπτυξη του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble από την αρχική του ιδέα τη δεκαετία του 1970 έως την εκτόξευσή του. Ο Bahcall πίστευε ότι οι εικόνες βαθέων πεδίων του Hubble θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των μεγεθών και των σχημάτων των αμυδρών γαλαξιών και για την απογραφή κβάζαρ (μια μάλλον παλιομοδίτικη λέξη για τη δημιουργία υπερμεγέθων μαύρων οπών), αλλά δεν πίστευε ότι θα αποκάλυπταν νέες πληθυσμούς γαλαξιών. Τέτοιες χλιαρές προσδοκίες μείωσαν κάθε επείγουσα ανάγκη για τη δοκιμή απεικόνισης σε βάθος πεδίου με το Hubble.
Η πρώτη προσπάθεια έγινε γύρω στις χειμερινές διακοπές του 1995, μετά από μια τόσο αναγκαία επισκευή οπτικών. Το τηλεσκόπιο πέρασε 10 ημέρες χρόνου έκθεσης στραμμένο στον αστερισμό της Μεγάλης Άρκτου, κοιτάζοντας ένα μικροσκοπικό κομμάτι του ουρανού μόλις το ένα δέκατο τρίτο της γωνιακής διαμέτρου του φεγγαριού. Εβδομάδες αργότερα, όταν οι αστρονόμοι είδαν την εικόνα που προέκυψε - γνωστή ως ο Βορράς Βαθύ Πεδίου - συνειδητοποίησαν αμέσως ότι ήταν ένα χριστουγεννιάτικο δώρο για τους αιώνες. Επειδή τα αστέρια του Γαλαξία είναι αραιά στην περιοχή στόχο, το Hubble μπόρεσε να διερευνήσει την κοσμική άβυσσο σαν μέσα από ένα ματάκι. Το τηλεσκόπιο είδε σχεδόν 3.000 αμυδρούς γαλαξίες διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών—πολλούς περισσότερους από το αναμενόμενο, μερικοί από αυτούς σε απόσταση έως και 12 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά. Το Hubble δεν εξερευνούσε μόνο το διάστημα. Ήταν επίσης ο χρόνος ανίχνευσης, συγκεντρώνοντας το φως των αστεριών που είχε εκπέμπεται πριν από αιώνες, κατά τις προηγούμενες εποχές του σύμπαντος. Η εικόνα έγινε γρήγορα εμβληματική.
Προέκυψε ένα κρίσιμο ερώτημα:Ήταν η πλούσια σε γαλαξίες περιοχή που αποκαλύφθηκε από το Βαθύ Πεδίο Βορράς ο κανόνας σε όλο το σύμπαν, ή οι αστρονόμοι απλώς έτυχε να στρέφουν το τηλεσκόπιο προς ένα πλήθος γαλαξιών του Πανταγρουελίου; Το 1998 το Hubble απέκτησε το Deep Field South. Η έκθεση ήταν παρόμοια, αλλά το τηλεσκόπιο έδειχνε προς το νότιο ουράνιο ημισφαίριο, όσο το δυνατόν πιο μακριά από το πρώτο σημείο. Αυτή η νέα εικόνα επιβεβαίωσε ότι το σύμπαν περιείχε πολλούς περισσότερους γαλαξίες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, ειδικά σε τεράστιες αποστάσεις. Εκτός από την επιστημονική και εμπνευσμένη τους αξία, αυτές και άλλες έρευνες σε βάθος πεδίου του Hubble ήταν ένας τεχνικός θρίαμβος, καταγράφοντας περισσότερους από 10.000 γαλαξίες σε μια από τις πρώτες προκλήσεις «μεγάλων δεδομένων» της αστρονομίας.
Η απεικόνιση σε βάθος πεδίου δεν περιορίζεται στο ορατό πεδίο του φάσματος. Στο γύρισμα της χιλιετίας, το παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra, μια επαναστατική αποστολή της NASA που ξεκίνησε τον Ιούλιο του 1999 και εξακολουθεί να είναι ενεργή σήμερα, κατέλαβε το πρώτο βαθύ πεδίο υψηλής ενέργειας. Το Chandra Deep Field South αποκτήθηκε ενσωματώνοντας για περίπου ένα εκατομμύριο δευτερόλεπτα πάνω από ένα κομμάτι του ουρανού που δεν είχε σύννεφα υδρογόνου και σκόνη από τον Γαλαξία μας. Το Chandra Deep Field South αποκάλυψε το ακραίο σύμπαν, αποκαλύπτοντας εκατοντάδες μαύρες τρύπες, μερικές πολύ απομακρυσμένες. Η εικόνα δεν ήταν τόσο εντυπωσιακή όσο οι φωτογραφίες του Hubble, αλλά ήταν πυκνή από επιστήμη. Ο Chandra αργότερα απεικόνισε το ίδιο πεδίο για συνολική έκθεση περίπου επτά εκατομμυρίων δευτερολέπτων, καταγράφοντας ένα από τα βαθύτερα πεδία που έχουν ληφθεί ποτέ με ακτίνες Χ. Το 2003 κυκλοφόρησε μια νέα εικόνα που ονομάζεται Chandra Deep Field North, η οποία περιείχε δεδομένα από περισσότερες από 500 πηγές ακτίνων Χ.
Το 2006 οι επιστήμονες κυκλοφόρησαν το Hubble Ultra Deep Field, το οποίο τραβήχτηκε χρησιμοποιώντας ένα όργανο που ονομάζεται Advanced Camera for Surveys που προστέθηκε στο τηλεσκόπιο κατά τη διάρκεια μιας αποστολής εξυπηρέτησης το 2002. Αυτή η ιστορική λήψη περιείχε χιλιάδες γαλαξίες, μερικούς που τώρα γνωρίζουμε ότι έλαμπαν όταν το σύμπαν ήταν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο ετών. Το Ultra Deep Field έδειξε την ιστορία του σχηματισμού των γαλαξιών με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια. Οι μακρινοί γαλαξίες φάνηκαν οριστικά να είναι μικρότεροι και πιο ακανόνιστος σε σχήμα από τους πιο κοντινούς, παρέχοντας ουσιαστικά στοιχεία για την υποστήριξη των θεωριών της εξέλιξης των γαλαξιών.
Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για το Ultra Deep Field παρέχει ουσιαστικά τη βαθύτερη εικόνα που μπορεί να ληφθεί σε οπτικά μήκη κύματος. Εάν ένας γαλαξίας είναι πολύ μακριά, το οπτικό φως του μετατοπίζεται εκτός του ορατού εύρους και στο υπέρυθρο καθεστώς. Αυτό είναι συνέπεια της κοσμολογικής ερυθρής μετατόπισης, κατά την οποία η διαστολή του σύμπαντος απλώνει τα μήκη κύματος του φωτός που ταξιδεύει μέσα από τεράστιες εκτάσεις του διαγαλαξιακού χώρου. Θα χρειαζόταν μια υπέρυθρη κάμερα για να κοιτάξει πιο μακριά στο χώρο και στο χρόνο. Με την προσθήκη μιας νέας κάμερας κοντά στο υπέρυθρο στο Hubble, το υπέρυθρο Ultra Deep Field αποκτήθηκε το 2009, αποκαλύπτοντας γαλαξίες που λάμπουν μόνο 600 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μια δεκαετία αργότερα, το 2019, κυκλοφόρησε ένα βαθύ πεδίο που παρήχθη με το υπέρυθρο διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer της Nasa. Και οι δύο αυτές εικόνες είναι πλούσιες με γαλαξίες την κοσμική αυγή.
Η εκστρατεία Frontier Fields του Hubble, που ολοκληρώθηκε το 2017, ήταν ο πραγματικός πρόλογος της πρώτης βαθιάς εικόνας του JWST. Κατά τη διάρκεια αυτής της εκστρατείας παρατηρήσεων, το Hubble στράφηκε προς έξι μεγάλες συγκεντρώσεις γαλαξιών. Σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, μια σημαντική πυκνότητα μάζας κατά μήκος της οπτικής γραμμής μπορεί να λυγίσει και έτσι να ενισχύσει το φως που εισέρχεται από μια πηγή φόντου, ένα φαινόμενο που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Η εκστρατεία Frontier Fields χρησιμοποίησε αυτά τα σμήνη γαλαξιών ως μεγεθυντικό φακό για να δει ακόμα πιο μακριά. Εκτός από το ότι είναι γεμάτες με σμήνη γαλαξίες, οι εικόνες των Frontier Fields κοσμούνται με περίεργα τόξα φωτός, που αντιπροσωπεύουν τις τεντωμένες και ενισχυμένες εικόνες των γαλαξιών του φόντου πολύ πιο απομακρυσμένοι από το σμήνος και πιθανώς πολύ αμυδρά για να παρατηρηθούν άμεσα με το Hubble. Αυτές οι λήψεις αποκάλυψαν μερικούς από τους πιο μακρινούς γαλαξίες και τον πρώτο σουπερνόβα με βαρυτικό φακό.
Έχουν περάσει σχεδόν 200 χρόνια από την εμφάνιση της φωτογραφίας, όταν η ανθρωπότητα κατάφερε για πρώτη φορά να συλλάβει και να καταγράψει απευθείας φωτόνια για να δημιουργήσει εικόνες. Σήμερα, οι εξαιρετικά περίπλοκες κάμερες σε ένα διαστημικό τηλεσκόπιο, ένα εκατομμύριο μίλια μακριά, κλονίζουν τις γνώσεις μας για το σύμπαν, ανοίγοντας νέα παράθυρα στο χώρο και τον χρόνο. Ένας σχετικά σύντομος χρόνος χωρίζει αυτά τα δύο γεγονότα, αλλά συνδέονται με τον ίδιο στόχο:να επιτύχουμε μια βαθύτερη κατανόηση της φύσης κοιτάζοντας αυτό που δεν μπορούν να δουν τα μάτια μας.
