Машина времени для астрофизиков: что показали снимки космического телескопа "Джеймс Уэбб"

Американское космическое агентство NASA совместно с европейскими и канадскими коллегами из ESA и CSA 12 июля провело пресс-конференцию, на которой продемонстрировало общественности первые научные снимки, сделанные новой космической орбитальной обсерваторией "Джеймс Уэбб".

Все дело в тепле

Эта станция стоимостью $10 млрд является сегодня самым большим и мощным телескопом. Он был запущен в космос 25 декабря 2021 года и через месяц достиг своей цели на солнечной орбите.

"Джеймс Уэбб" представляет собой орбитальную инфракрасную обсерваторию — любое нагретое тело, неважно, твердое, жидкое или газообразное, проявляется в инфракрасном диапазоне. В зависимости от температуры нагрева изменяется длина излучаемых волн: чем больше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Именно это тепло, попавшее на сегментированное зеркало телескопа, и улавливают сверхчувствительные детекторы приборов обсерватории. Если сильно упростить, то "Джеймс Уэбб" — это сверхсложный и очень высокотехнологичный тепловизор, доставленный учеными в точку Лагранжа.

Вариант наблюдения в инфракрасном диапазоне был выбран прежде всего из-за межзвездной пыли — при таком методе она становится более прозрачной; захватывается гораздо сильнее обычный видимый свет. Причиной же вывода телескопа в космос является земная атмосфера, которая очень сильно поглощает инфракрасное излучение, что делает "Джеймс Уэбб" гораздо менее эффективным при работе с Земли.

Заглянуть в прошлое

Первый "самый глубокий и четкий на сегодняшний день инфракрасный снимок далекой Вселенной" широкой публике показали на несколько часов раньше, чем состоялась пресс-конференция. Чтобы понять угловые размеры полученного изображения применительно к окружающему нас небу, можно представить песчинку на вытянутой руке — она закроет на небе примерно такое же пространство, какое вы можете увидеть на полученном телескопом снимке.

Объекты на первом кадре, которые имеют шесть лучей, — звезды из нашей родной галактики Млечный путь. Все остальные — галактики и туманности массивного скопления галактик SMACS 0723, удаленного от Земли более чем на 4,6 млрд световых лет. Примерно столько времени потребовалось свету, чтобы добраться до места, где его зафиксировали сенсоры "Джеймса Уэбба".

Кроме того, само это скопление представляет собой огромную гравитационную линзу, позволяющую увидеть еще более далекие галактики, расположенные на расстоянии около 10 млрд лет. Дело в том, что массивные тела, такие как планеты, звезды и т.д., своим гравитационным полем изменяют направление распространения электромагнитного излучения: чем больше масса объекта, тем больше искажение. Поэтому можно наблюдать более далекие объекты, расположенные за гравитационной линзой. Правда, стоит учитывать, что, как в случае с обычной линзой, изображения искажаются, и при скоплении галактик мы видим искривленные размноженные фигуры одного и того же объекта. Присмотритесь к снимку. Вы увидите, что все объекты на нем немного размазаны по концентрическим окружностям — это и есть следствие линзирования. Тем не менее если бы не этот эффект, мы бы не смогли получить такое далекое изображение — чувствительности телескопа просто бы не хватило.

Для того чтобы получить этот снимок, космической обсерватории "Джеймс Уэбб" при помощи камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam (Near-Infrared Camera) понадобилось всего 12,5 часов. Тогда как телескопу "Хаббл", запущенному в 1990 году, требовалось для получения подобного изображения несколько недель. Кроме того, очевидно, что новые снимки, сделанные "Джеймсом Уэббом", гораздо более детальные и четкие.

Шанс рассмотреть галактики, находящиеся на таком расстоянии, — это уникальная возможность для ученых-астрофизиков, превращающая телескоп в некую машину времени. Ведь изображение галактического скопления на расстоянии в 4,6 млрд лет — попытка заглянуть на четыре с половиной миллиарда лет назад, во времена, когда планета Земля еще только образовывалась. А изображение галактик, находящихся на расстоянии в 10 млрд лет, дает потенциал больше узнать о Вселенной и вовсе в первые миллиарды лет после Большого взрыва.

Стоит отметить, что "Джеймс Уэбб" не делает снимок в привычном смысле, как фотоаппарат. Каждое его изображение получается из массива разных карт путем сложения и наложения нескольких изображений разных длин волн. В свою очередь, каждое такое изображение — массив точек, обозначающих интенсивность сигнала. Все это преобразуется сначала в картинку в градациях серого, а затем раскрашивается. Как правило, снимки в различных диапазонах получают световое кодирование на основе хроматического порядка: низкие частоты становятся красными, высокие — синими. Еще одним показанным вчера изображением стал участок Туманности Киля (NGC 3324). Это гигантская область ионизированного водорода, содержащая много ярких и горячих звезд, находящаяся внутри нашей галактики Млечный путь примерно в 7,6 тыс. световых лет от нас. Эта туманность интересна тем, что она содержит одно из самых молодых звездных скоплений — Trumpler 14, образовавшееся всего около 500 тыс. лет назад. В него входит одна из наиболее ярких звезд нашей Галактики — HD 93129 — со светимостью в 2,5 млн раз больше светимости Солнца.

Также вчера продемонстрировали кадры с туманностью Южное кольцо, или Восьмерка (NGC 3132). Она является наиболее близкой к Земле планетарной туманностью — расположена всего в 2,5 тыс. световых лет. Первый кадр показал Южное кольцо в ближнем инфракрасном диапазоне камерой NIRCam, второй — в среднем инфракрасном диапазоне с помощью Mid-Infrared Instrument (MIRI). Можно увидеть, что в среднем диапазоне хорошо заметна разница в цвете звезд в самом центре туманности.

Кроме того, чтобы показать возможности телескопа "Джеймс Уэбб" в создании сложных, состоящих из множества фрагментов изображений, был представлен снимок с группой из пяти галактик в созвездии Пегаса — Квинтет Стефана. Итоговое общее изображение состоит из почти 1 000 отдельных файлов, куда вошло более 150 млн пикселей. Четыре из пяти галактик на снимке находятся на расстоянии в 290 млн световых лет от Земли, а пятая — в 40 млн. На фотографии последнюю отличить несложно — в ней хорошо просматриваются отдельные звезды.

Кстати, если смотреть с нашей планеты на небо, то площадь этого Квинтета занимает примерно 20% от размера Луны — был бы глаз человека немного более чувствительным, и мы, возможно, смогли бы видеть эту красоту и без приборов, но, конечно, не столь четко.

В поисках планет

Отдельно стоит сказать и о графике, который был представлен вчера и на котором изображен спектр атмосферы планеты WASP-96 b. Это небесное тело удалено от Земли на 1 150 световых лет, имеет массу в половину Юпитера и делает оборот вокруг своей звезды всего за 3,4 дня. Обнаружить ее удалось из-за того, что каждые несколько дней менялось свечение одной из звезд; как оказалось, это происходило по причине прохождения WASP-96 b по диску светила. При помощи гравитационного микролинзирования (изменения яркости звезды, уменьшающегося, когда планета проходит по его диску) телескоп "Джеймс Уэбб" сумел доказать наличие этой планеты. Ее саму мы пока не можем увидеть из-за все еще недостаточного уровня технологий, не позволяющего рассмотреть планету на таком расстоянии. Тем не менее улавливание преломлений, искажений света и некоторых иных сигналов позволяет определять местоположения новых для нас космических объектов.

Кроме этого, обсерватория зафиксировала отчетливые следы воды, а также признаки облаков и дымки в атмосфере этой горячей газовой планеты-гиганта WASP-96 b. Подобные данные превосходят те, что ученым удавалось получать ранее. Информация о наличии воды и составе атмосферы планеты позволяет узнать не только ее спектр, но и примерное изображение экзопланеты. Таким образом, "Джеймс Уэбб" может стать одним из самых эффективных инструментов для "охоты" за планетами в звездных системах. Это позволит ученым накопить больше информации и понять черты сходства и отличия нашей Солнечной системы от других.

Тем не менее несмотря на все данные, которые уже раскрыли кадры "Джеймса Уэбба", их красоту, это в первую очередь лишь заготовка для будущих исследований и открытий. Полученные снимки и массивы информации впоследствии будут изучаться самыми разными научными группами, сравниваться с предыдущими изображениями этих же участков звездного неба. Такое постепенное изучение, думаю, поможет выдвинуть не одну новую теорию и найти подтверждения предыдущим.