Naukowcy z międzynarodowego zespołu COSMOS-Web na początku czerwca zaprezentowali największą w historii mapę wszechświata. Projekt to efekt zdjęć wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), a rozmiar i szczegółowość kosmicznej mapy już teraz zapisały się w historii astronomii jako bezprecedensowe osiągnięcie. Mapa obejmuje niemal 800 000 galaktyk, z których wiele powstało zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) to najbardziej zaawansowany teleskop kosmiczny w historii zaprojektowany do obserwacji wszechświata. Został wyniesiony na orbitę w grudniu 2021 roku jako wspólny projekt NASA, ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) i CSA (Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej). JWST jest bezpośrednim następcą słynnego teleskopu Hubble’a, ale różni się od niego zarówno zakresem działania, jak i technologią.
Najważniejszą różnicą między nimi jest rejestrowana przez teleskopy długość fal światła. Hubble pracuje głównie w świetle widzialnym i ultrafiolecie, natomiast Webb został zaprojektowany do obserwacji w zakresie promieniowania podczerwonego. To pozwala mu dostrzegać obiekty bardzo odległe, których światło przesunęło się poza zakres widzialnego spektrum. Dzięki temu JWST może „cofać się w czasie”, aż do pierwszych setek milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Równie istotna jest konstrukcja. Zwierciadło główne teleskopu Webba ma aż 6,5 metra średnicy, czyli ponad dwa razy więcej niż w Hubble’u (2,4 metra). Ponadto JWST nie krąży też wokół Ziemi, jak Hubble, lecz znajduje się w punkcie Lagrange’a L2 – 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, co zapewnia stabilniejsze warunki obserwacyjne.
Dzięki tym różnicom JWST umożliwia badanie najstarszych galaktyk, atmosfer egzoplanet, narodzin gwiazd i struktur, których wcześniejsze teleskopy nie były w stanie wykryć.
Gigantyczne okno na przeszłość
W ramach projektu COSMOS-Web, teleskop Jamesa Webba spędził ponad 250 godzin obserwując tzw. pole COSMOS — fragment nieba wolny od rozpraszających światło gwiazd i obłoków gazu. Dzięki temu możliwe było uchwycenie niezwykle głębokiego spojrzenia w historię wszechświata — aż do 13,5 miliarda lat wstecz.
Cały obserwowany obszar odpowiada jedynie 0,54 stopnia kwadratowego na niebie, co można porównać do pola widzenia trzykrotnie większego od tarczy Księżyca oglądanego z Ziemi. Mimo tak małego wycinka nieba, zarejestrowano na nim obrazy niemal miliona galaktyk.
Jak to możliwe? Dzięki detekcji podczerwieni, czyli światła, które w wyniku rozszerzania się wszechświata zostało rozciągnięte poza widzialne pasmo, teleskop Webba może dostrzegać najstarsze i najbardziej oddalone obiekty kosmiczne, których światło podróżowało do nas miliardy lat.
Rozszerzający się wszechświat sprawia, że fale świetlne pochodzące z bardzo odległych galaktyk „rozciągają się” i zmieniają długość — z widzialnej na niewidzialną podczerwień. Dlatego teleskop Webba, wyposażony w bardzo czułe detektory podczerwieni, jest idealnym narzędziem do badania początków kosmosu.
Kosmiczna panorama jakiej świat nie widział
Finalna mozaika, stworzona z ponad 10 000 zdjęć, obejmuje największy jak dotąd spójny obszar nieba zarejestrowany przez teleskop Webba. W ramach projektu powstał również ogólnodostępny katalog galaktyk, w którym każdy obiekt został opisany pod względem kształtu, jasności i wieku.
– Nie wiem, czy Kosmiczny Teleskop Webba jeszcze kiedyś obejrzy obszar o takiej powierzchni — przyznała dr Jeyhan Kartaltepe, astrofizyczka z Rochester Institute of Technology i jedna z liderek projektu. – Ta mapa będzie służyła naukowcom przez wiele lat.
W odróżnieniu od wielu innych projektów teleskopu, które skupiały się na małych i głębokich fragmentach nieba, COSMOS-Web postawił na szerokie ujęcie — by nie tylko zauważyć najodleglejsze galaktyki, ale też lepiej zrozumieć kontekst ich otoczenia we wczesnym wszechświecie.
Głębokie obrazy pozwalają dotrzeć do bardzo odległych obiektów, ale obejmują niewielki fragment kosmosu. Szerokie pole pozwala dodatkowo badać, w jakim otoczeniu te obiekty powstały — czy w samotności, czy w gromadach galaktyk. To kluczowe dla zrozumienia, jak galaktyki ewoluowały.
Więcej galaktyk, niż przewidywano
Dla astronomów szczególnie zaskakujące było to, co Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył w najstarszych częściach kosmosu.
– Spodziewaliśmy się znaleźć zaledwie ułamek tego, co zobaczyliśmy. Zamiast kilku tysięcy galaktyk z pierwszych 500 milionów lat istnienia wszechświata, widzimy ich dziesięć razy więcej. Co więcej — są to często typy galaktyk, których teleskop Hubble’a nie był w stanie nawet wykryć – podkreśla profesor Caitlin Casey z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, współkierująca projektem COSMOS-Web.
Oprócz galaktyk teleskop Webba wykrył także supermasywne czarne dziury, które wcześniej pozostawały ukryte. Te gargantuiczne obiekty powstały zaskakująco szybko, co rodzi pytania o mechanizmy ich formowania.
Supermasywne czarne dziury to typ czarnych dziur o masie od setek tysięcy do miliardów razy większej niż masa Słońca. Uważa się, że znajdują się one w centrach większości, jeśli nie wszystkich, dużych galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej. Ich obecność i ewolucja są ściśle powiązane z ewolucją galaktyk, w których się znajdują. Trudność w ich obserwacji wynika z faktu, że czarne dziury nie emitują światła. Jednakże, ich obecność można wykryć poprzez obserwację wpływu grawitacyjnego na otaczającą materię, a także poprzez promieniowanie emitowane przez gaz i pył pochłanianych przez te obiekty.
Kosmos pełen zagadek
Choć nowe dane odpowiadają na wiele pytań, równocześnie stawiają jeszcze więcej nowych. Jak to możliwe, że tak wiele masywnych galaktyk i czarnych dziur powstało tak wcześnie?
– Wszechświat miał zaledwie 400 milionów lat, by stworzyć obiekty kosmiczne o masie miliardów Słońc. To wydaje się fizycznie niemożliwe według naszego obecnego modelu kosmologicznego — zaznacza profesor Caitlin Casey.
Wśród dalszych zaplanowanych działań zespołu jest zastosowanie spektroskopii — metody polegającej na rozszczepieniu światła na składowe — by precyzyjnie ustalić odległości i skład chemiczny najstarszych obiektów. Dzięki temu możliwe będzie m.in. śledzenie tzw. epoki rejonizacji.
Epoka rejonizacji miała miejsce ponad 13 miliardów lat temu, kiedy pierwsze gwiazdy i galaktyki zaczęły emitować światło, które „przebiło się” przez mgłę z neutralnego wodoru — pierwotnego gazu wypełniającego wszechświat. To moment, kiedy wszechświat stał się przezroczysty dla światła.
Nauka dla każdego
Zespół COSMOS-Web zadbał, by rezultaty badań nie były zarezerwowane wyłącznie dla specjalistów. Choć surowe dane z teleskopu Webba były dostępne od początku, wymagały ogromnej wiedzy i mocy obliczeniowej do przetworzenia. Teraz, po dwóch latach pracy, stworzono przystępne katalogi i interaktywne narzędzia, z których mogą korzystać nawet studenci i pasjonaci.
– Wiedzy naukowej nie tworzy jeden zespół. Najlepsze pomysły powstają, gdy wiele osób patrzy na te same dane z różnych perspektyw — dodała profesor Caitlin Casey.
Zbiór zawiera też opublikowane już lub czekające na publikację artykuły naukowe, w których analizowane są m.in. najjaśniejsze galaktyki w gromadach oraz metody przetwarzania obrazów. Jeden z artykułów opisuje nowatorską technikę szacowania jasności galaktyk na podstawie kształtu rozkładu światła, co pozwala na lepsze połączenie danych z JWST z obserwacjami z teleskopów naziemnych.
Co dalej?
Eksploracja pola COSMOS trwa. Naukowcy planują dalsze badania, w tym bardziej precyzyjne pomiary i pogłębione analizy. Dane z JWST już teraz zmieniają nasze rozumienie początków wszechświata, ale to dopiero początek.
– Wciąż nie wiemy wielu rzeczy — mówi dr Jeyhan Kartaltepe. — Ale dzięki tym obserwacjom mamy niesamowity punkt wyjścia.
źródła: space.com, phys.org, livescience.com
Dodaj komentarz