Μετά από δύο εβδομάδες, το διαστημικό τηλεσκόπιο Webb αναδιαμορφώνει την αστρονομία

Μόλις ο Πρόεδρος Μπάιντεν αποκάλυψε την πρώτη εικόνα από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) στις 11 Ιουλίου, ο Massimo Pascale και η ομάδα του ξεκίνησαν δράση.

Συντονίζοντας τον Slack, ο Pascale, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, και 14 συνεργάτες χώρισαν εργασίες. Η εικόνα έδειχνε χιλιάδες γαλαξίες σε ένα τμήμα του ουρανού στο μέγεθος της καρφίτσας, μερικοί μεγεθύνονται καθώς το φως τους κάμπτεται γύρω από ένα κεντρικό σμήνος γαλαξιών. Η ομάδα άρχισε να εργάζεται εξετάζοντας την εικόνα, ελπίζοντας να δημοσιεύσει την πρώτη επιστημονική εργασία JWST. «Δουλεύαμε ασταμάτητα», είπε ο Πασκάλε. "Ήταν σαν δωμάτιο διαφυγής."

Τρεις ημέρες αργότερα, λίγα λεπτά πριν από την ημερήσια προθεσμία στο arxiv.org, τον διακομιστή όπου οι επιστήμονες μπορούν να ανεβάσουν τις πρώτες εκδόσεις των εργασιών, η ομάδα υπέβαλε την έρευνά της. Έχασαν να είναι πρώτοι κατά 13 δευτερόλεπτα, "πράγμα πολύ αστείο", είπε ο Pascale.

Οι νικητές, ο Guillaume Mahler στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνεργάτες του, ανέλυσαν την ίδια πρώτη εικόνα του JWST. «Υπήρχε απλώς μια χαρά να μπορέσω να λάβω αυτά τα εκπληκτικά δεδομένα και να τα δημοσιεύσω», είπε ο Μάλερ. "Αν μπορούμε να το κάνουμε γρήγορα, γιατί να περιμένουμε;"

Ο «υγιεινός ανταγωνισμός», όπως τον αποκαλεί ο Μάλερ, υπογραμμίζει τον τεράστιο όγκο της επιστήμης που προέρχεται ήδη από το JWST, ημέρες αφότου οι επιστήμονες άρχισαν να λαμβάνουν δεδομένα από το πολυαναμενόμενο υπέρυθρο -αισθητήριο μεγα-τηλεσκόπιο.

Η αυγή του χρόνου

Μία από τις πολυδιαφημισμένες ικανότητες του JWST είναι η δύναμη να κοιτάζει πίσω στο χρόνο στο πρώιμο σύμπαν και να βλέπει μερικούς από τους πρώτους γαλαξίες και αστέρια. Ήδη, το τηλεσκόπιο — το οποίο εκτοξεύτηκε την Ημέρα των Χριστουγέννων του 2021 και τώρα βρίσκεται σε απόσταση 1,5 εκατομμυρίου χιλιομέτρων από τη Γη — έχει εντοπίσει τον πιο μακρινό, αρχαιότερο γνωστό γαλαξία.

Δύο ομάδες βρήκαν τον γαλαξία όταν ανέλυσαν χωριστά τις παρατηρήσεις του JWST για την έρευνα GLASS, ένα από τα περισσότερα από 200 επιστημονικά προγράμματα που είχαν προγραμματιστεί για το πρώτο έτος του τηλεσκοπίου στο διάστημα. Και οι δύο ομάδες, η μία με επικεφαλής τον Rohan Naidu στο Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian στη Μασαχουσέτη και η άλλη από τον Marco Castellano στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ρώμης, εντόπισαν δύο ιδιαίτερα απομακρυσμένους γαλαξίες στα δεδομένα:έναν τόσο μακριά που το JWST ανιχνεύει το φως του εκπέμπεται 400 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (δεσμός με τον παλαιότερο γαλαξία που έχει δει ποτέ το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble) και ο άλλος, που ονομάστηκε GLASS-z13, φαίνεται όπως εμφανίστηκε 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. «Θα ήταν ο πιο μακρινός γαλαξίας που έχει βρεθεί ποτέ», είπε ο Castellano.

Και οι δύο γαλαξίες φαίνονται εξαιρετικά μικροί, ίσως 100 φορές μικρότεροι από τον Γαλαξία μας, ωστόσο εμφανίζουν εκπληκτικούς ρυθμούς σχηματισμού άστρων και περιέχουν ήδη 1 δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου μας — περισσότερο από αναμενόμενο για γαλαξίες τόσο νεαρό. Ένας από τους νεαρούς γαλαξίες δείχνει ακόμη και στοιχεία δομής που μοιάζει με δίσκο. Θα γίνουν περισσότερες μελέτες για να διασπαστεί το φως τους για να συλλεχθούν τα χαρακτηριστικά τους.

Ένα άλλο πρόγραμμα του πρώιμου σύμπαντος έχει επίσης εμφανίσει "απίστευτα μακρινούς γαλαξίες", δήλωσε η Ρεμπέκα Λάρσον, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Όστιν και μέλος του Cosmic Evolution Early Release Έρευνα Science (CEERS). Μόλις εβδομάδες μετά την έρευνα, η ομάδα έχει συλλέξει μια χούφτα γαλαξιών από τα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος, αν και η Larson και οι συνεργάτες της δεν έχουν ακόμη δημοσιεύσει τα ακριβή ευρήματά τους. «Είναι καλύτερο από ό,τι φανταζόμουν και είναι μόνο η αρχή», είπε.

Περισσότεροι πρώιμοι γαλαξίες κρύβονται στην εικόνα του σμήνους γαλαξιών που παρουσίασε ο Πρόεδρος Μπάιντεν και μελετήθηκε από τους Pascale και Mahler. Ονομάζεται SMACS 0723, το σύμπλεγμα είναι τόσο βαρύ που κάμπτει το φως πιο απομακρυσμένων αντικειμένων, φέρνοντάς τα στη θέα. Οι Pascale και Mahler βρήκαν έως και 16 απομακρυσμένους γαλαξίες που έχουν μεγεθυνθεί στην εικόνα. Η ακριβής ηλικία τους δεν είναι ακόμη γνωστή.

Το τηλεσκόπιο έριξε μια πιο προσεκτική ματιά σε έναν μακρινό γαλαξία στην εικόνα, μια μουντζούρα φωτός που χρονολογείται στα 700 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Με το φασματογράφο του, το JWST ανίχνευσε βαριά στοιχεία, ιδιαίτερα οξυγόνο, στον γαλαξία. Τώρα οι επιστήμονες ελπίζουν ότι το τηλεσκόπιο θα βρει απουσία βαρέων στοιχείων σε ακόμη παλαιότερους γαλαξίες - απόδειξη ότι αυτοί οι γαλαξίες περιέχουν μόνο αστέρια Πληθυσμού ΙΙΙ, τα υποτιθέμενα πρώτα αστέρια στο σύμπαν, που πιστεύεται ότι ήταν τερατώδες και φτιαγμένα εξ ολοκλήρου από υδρογόνο και ήλιο. (Μόνο καθώς αυτά τα αστέρια εξερράγησαν σφυρηλάτησαν βαρύτερα στοιχεία όπως το οξυγόνο και τα εκτόξευσαν στο σύμπαν.)

"Αναζητούμε γαλαξίες όπου δεν βλέπουμε βαριά στοιχεία", δήλωσε ο Andy Bunker, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Αυτό μπορεί να είναι ένα όπλο καπνίσματος για την πρώτη γενιά άστρων που σχηματίστηκαν από αρχέγονο υδρογόνο και ήλιο. Θεωρητικά θα έπρεπε να υπάρχουν. Εξαρτάται αν είναι αρκετά φωτεινά."

Γαλαξιακή δομή

Για τους επιστήμονες που επιδιώκουν να κατανοήσουν τη δομή των γαλαξιών και τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται τα αστέρια μέσα σε αυτούς, το JWST έχει ήδη παράσχει εντυπωσιακά δεδομένα.

Ένα πρόγραμμα παρατήρησης, με επικεφαλής τη Janice Lee στο NOIRLab του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών στην Αριζόνα, αναζητά νεαρές τοποθεσίες σχηματισμού άστρων σε γαλαξίες. Εκ μέρους της ομάδας του Lee, το JWST παρατήρησε έναν γαλαξία 24 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, που ονομάζεται NGC 7496, του οποίου οι νεαρές περιοχές σχηματισμού άστρων ήταν μέχρι τώρα τυλιγμένες στο σκοτάδι. Τα όργανα του Hubble δεν ήταν σε θέση να διαπεράσουν την παχιά σκόνη και το αέριο που περιβάλλει αυτές τις περιοχές. Το JWST, ωστόσο, μπορεί να δει υπέρυθρο φως που αναπηδά από τη σκόνη, επιτρέποντας στο τηλεσκόπιο να διερευνήσει κοντά στις στιγμές που τα αστέρια άναβαν και πυρηνική σύντηξη αναφλέγεται στους πυρήνες τους. "Η σκόνη στην πραγματικότητα ανάβει", είπε ο Lee.

Αυτό που είναι πιο αξιοσημείωτο, είπε, είναι ότι ο NGC 7496 είναι ένας κανονικός γαλαξίας, «όχι ένας παιδικός γαλαξίας». Ωστόσο, κάτω από το άγρυπνο βλέμμα του JWST, ξαφνικά ζωντανεύει και αποκαλύπτει κανάλια όπου σχηματίζονται αστέρια. "Είναι απλά εκπληκτικό", είπε.

Ο John Barentine, ένας αστρονόμος στην εταιρεία προστασίας του σκοτεινού ουρανού Dark Sky Consulting στην Αριζόνα, εν τω μεταξύ, έκανε μια πιο γαλήνια ανακάλυψη σε μια από τις πρώτες εικόνες του JWST. Η εικόνα του τηλεσκοπίου του Νεφελώματος του Νότιου Δακτυλίου, 2.500 έτη φωτός από τη Γη, έδειξε αξιοσημείωτη διαύγεια. Στο πλάι, εμφανίστηκε ένας συναρπαστικός γαλαξίας που φαίνεται από άκρη σε άκρη (ένα μοναδικό πλεονέκτημα για τη μελέτη της κεντρικής διόγκωσης του γαλαξία), που προηγουμένως είχε αναγνωριστεί εσφαλμένα ως μέρος του ίδιου του νεφελώματος.

"Έχουμε αυτό το εξαιρετικά ευαίσθητο μηχάνημα που πρόκειται να αποκαλύψει αυθόρμητα πράγματα που δεν γνωρίζαμε καν ότι ψάχναμε", είπε ο Barentine. "Σχεδόν σε κάθε εικόνα που τραβάει ο Webb, αξίζει να κοιτάξετε στο παρασκήνιο."

Ένα μάτι σε αστέρια και πλανήτες

Μικρότεροι στόχοι βρίσκονται επίσης στο στόχαστρο του JWST, συμπεριλαμβανομένων των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος. Ο Δίας εμφανίστηκε με υπέροχο τρόπο ως μέρος της πρώτης παρτίδας εικόνων, που τραβήχτηκαν σε έκθεση διάρκειας μόλις 75 δευτερολέπτων.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι η ανώτερη ατμόσφαιρα του Δία είναι εκατοντάδες βαθμούς θερμότερη από την κατώτερη ατμόσφαιρα, αλλά δεν είναι σίγουροι γιατί. Ανιχνεύοντας υπέρυθρο φως, το JWST μπορούσε να δει τη θερμαινόμενη ανώτερη ατμόσφαιρα να λάμπει. εμφανίζεται ως ένας κόκκινος δακτύλιος γύρω από τον πλανήτη. «Έχουμε αυτό το στρώμα μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα πάνω από τα καταστρώματα των νεφών και λάμπει επειδή κάνει ζέστη», είπε ο Χένρικ Μελίν, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο του Λέστερ. «Δεν το έχουμε ξαναδεί έτσι σε παγκόσμια κλίμακα. Αυτό είναι κάτι εξαιρετικό να δεις."

Το πρόγραμμα της Melin σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το JWST τις επόμενες εβδομάδες για να μελετήσει την κινητήρια δύναμη πίσω από αυτήν την ατμοσφαιρική θέρμανση.

Στην εικόνα του Δία του JWST κρύβεται το ηφαιστειακό φεγγάρι Io που αλληλεπιδρά με το σέλας του Δία — δημιουργώντας ένα μικρό χτύπημα στο σέλας. Η εικόνα αποκαλύπτει «υλικό που προέρχεται από την Io που ρέει κάτω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου», είπε η Melin. Το αποτέλεσμα έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν, αλλά επιλέχθηκε εύκολα από το JWST με μόλις μια ματιά στον πλανήτη.

Το JWST διερευνά πλανήτες και σε άλλα αστρικά συστήματα. Ήδη, το τηλεσκόπιο έχει ρίξει μια ματιά στο περίφημο σύστημα TRAPPIST-1, έναν κόκκινο νάνο αστέρα με επτά κόσμους στο μέγεθος της Γης (μερικοί δυνητικά κατοικήσιμοι), αν και τα δεδομένα αναλύονται ακόμη. Έχουν κυκλοφορήσει πρώιμες παρατηρήσεις για έναν λιγότερο φιλόξενο πλανήτη, έναν «καυτό Δία» που ονομάζεται WASP-96 b, σε μια σφιχτή τροχιά 3,4 ημερών γύρω από το αστέρι του.

Το JWST βρήκε υδρατμούς στην ατμόσφαιρα του πλανήτη, επιβεβαιώνοντας στοιχεία νερού που αναφέρθηκαν μέρες νωρίτερα από τον Chima McGruder του Κέντρου Harvard-Smithsonian και τους συνεργάτες του, που χρησιμοποίησαν ένα επίγειο τηλεσκόπιο. Αλλά το JWST μπορεί να προχωρήσει περισσότερο. Παρατηρώντας την αναλογία άνθρακα προς οξυγόνο του WASP-96 b, μπορεί να είναι σε θέση να λύσει ένα συγκεχυμένο μυστήριο σχετικά με τους θερμούς Δία:πώς επιτυγχάνουν τόσο κοντινές τροχιές γύρω από τα αστέρια τους. Περισσότερο οξυγόνο υποδηλώνει ότι ο γίγαντας αερίου σχηματίστηκε αρχικά κοντά στο αστέρι, ενώ μια υψηλότερη αναλογία άνθρακα θα υποδηλώνει ότι σχηματίστηκε σε περισσότερες πλούσιες σε άνθρακα περιοχές πιο μακριά.

Εν τω μεταξύ, το JWST μπορεί να εντόπισε ένα προσωρινό φως στον ουρανό — ένα βραχύβιο γεγονός γνωστό ως παροδικό — το οποίο αρχικά δεν είχε σχεδιαστεί να κάνει. Ο αστρονόμος Mike Engesser και οι συνεργάτες του στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη του Μέριλαντ (το κέντρο επιχειρήσεων για το JWST), παρατήρησαν ένα φωτεινό αντικείμενο που δεν ήταν εμφανές στις εικόνες Hubble της ίδιας περιοχής. Νομίζουν ότι είναι ένα σουπερνόβα ή ένα αστέρι που εκρήγνυται, περίπου 3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά - απόδειξη ότι το τηλεσκόπιο μπορεί να βρει αυτά τα γεγονότα.

Το JWST θα πρέπει επίσης να είναι σε θέση να βρίσκει πολύ πιο μακρινούς σουπερνόβα, κάτι που θα του δώσει έναν άλλο τρόπο να χρησιμεύσει ως ανιχνευτής του πρώιμου σύμπαντος. Μπορεί επίσης να βρει αστέρια να σχίζονται από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, κάτι που κανένα προηγούμενο τηλεσκόπιο δεν έχει δει. «Για πρώτη φορά θα είμαστε σε θέση να κοιτάξουμε σε αυτές τις πολύ βαθιές, σκοτεινές περιοχές», δήλωσε η Ori Fox, αστρονόμος στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου που ηγείται της ομάδας που μελετά τα παροδικά.

Τα παροδικά, όπως και άλλα αστρονομικά φαινόμενα, πρόκειται να επαναπροσδιοριστούν. Μετά από δεκαετίες σχεδιασμού και κατασκευής, το JWST έχει χτυπήσει τον ουρανό τρέχοντας. Το ζήτημα τώρα είναι να συμβαδίζει με τον συνεχή καταιγισμό της επιστήμης που κατέρχεται από μια μηχανή τόσο περίπλοκη αλλά άψογη που σχεδόν αψηφά την πεποίθηση ότι κατασκευάστηκε από ανθρώπινους εγκεφάλους. «Λειτουργεί και είναι τρελό», είπε ο Λάρσον.

Διόρθωση:25 Ιουλίου 2022
Το κείμενο τροποποιήθηκε για να μειωθεί η σύγχυση σχετικά με τη θέση της πρόσκρουσης στο σέλας του Δία που προκαλείται από το φεγγάρι Ιώ.

Διόρθωση:27 Ιουλίου 2022
Η περιγραφή του τι σημαίνει η μετρηθείσα αναλογία άνθρακα προς οξυγόνο για το WASP-96 b σχετικά με το πού σχηματίστηκε ο πλανήτης διορθώθηκε.