Ludzkość otwiera nowe okno na wszechświat. Co da nam Webb, czego nie dał nam Hubble?

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ledwo wystartował, ale już teraz można zaryzykować twierdzenie, że jego spektakularne pozłacane zwierciadło, stanie się ikoną XXI-wiecznej astronomii.

Minęło ponad 25 lat, ale myślę, że naprawdę warto było czekać.

Wendy Freedman

Kiedy tylko NASA zaczęła przebąkiwać o planach Teleskopu Webba – a zaczęła dawno temu, bo jeszcze w latach 90. – szybko przypięto mu łatkę sukcesora Teleskopu Hubble’a, czyli bodaj najsłynniejszego przyrządu astronomicznego w dziejach. Trudno, żeby było inaczej, wszakże w obu przypadkach mamy do czynienia z prawdziwymi cudami inżynierii; naukowymi okularami ludzkości, zaprojektowanymi z myślą o wzniesieniu naszej wiedzy o wszechświecie na niedostępny nigdy wcześniej poziom.

A jednak zaszczytne miano następcy Teleskopu Hubble’a stanowi bardziej tytuł honorowy lub chwytliwy prasowy nagłówek, niż wyraz faktycznego pokrewieństwa obu kosmicznych obserwatoriów. W rzeczywistości Webb to trochę inny instrument. Nie tylko pod względem szczegółów konstrukcyjno-logistycznych, ale przede wszystkim jego możliwości oraz przeznaczenia.

Niewidzialne królestwo podczerwieni

Spójrzmy na samą podstawę, czyli zakresy działania dwóch urządzeń. Może to zabrzmieć rozczarowująco dla postronnej publiki, ale JWST (ang. James Webb Space Telescope) ma operować głównie poza widmem światła widzialnego. Innymi słowy, obraz wszechświata w obiektywie Webba będzie znacząco odbiegał zarówno od tego, co rejestrował jego wysłużony poprzednik, jak i od tego, co naturalnie mogłoby dostrzec ludzkie oko.

Nasz niedoskonały zmysł wzroku wyewoluował tak, aby reagować na fale elektromagnetyczne w wąskim przedziale od 0,4 do 0,7 mikrometra (milionowych części metra). Dlatego ten wycinek widma, zawierający wszystkie kolory tęczy, zwykliśmy nazywać światłem widzialnym. Wszystko, co krótsze (ultrafiolet, promienie rentgenowskie i gamma) lub z drugiej strony dłuższe (podczerwień, mikrofale, fale radiowe) pozostaje przed nami ukryte. Oznacza to tyle, że bez odpowiedniego oprzyrządowania, umyka nam naprawdę spory kawałek informacji o otaczającym świecie.

Widmo fali elektromagnetycznej
W odróżnieniu od naszego oka i standardowych teleskopów optycznych, Teleskop Jamesa Webba został opracowany z myślą o badaniach wszechświata w zakresie dłuższych fal, tj. bliskiej i średniej podczerwieni.

Różnorodnych wspomagaczy nie brakuje. Współczesna nauka dysponuje pokaźną gamą obserwatoriów wyspecjalizowanych wyłącznie do pracy na specyficznych częstotliwościach: od satelity Fermi GST polującej na błyski gamma, przez misję WMAP skanującą przestrzeń w zakresie mikrofal, aż po rozmaite radioteleskopy. Sam Hubble został skonstruowany tak, aby zbierać nieco więcej informacji niż ludzkie oko. Poza pełnym spektrum światła widzialnego, jego instrumenty rejestrują zarówno promienie o nieco mniejszej, jak i trochę większej długości fali.

Obszar zainteresowań Webba w bardzo drobnym stopniu będzie zazębiał się z zakresem działania Hubble’a. Na tym polu więcej łączy go choćby z Kosmicznym Teleskopem Spitzera[1], który jeszcze niedawno przeczesywał niebo w zakresie podczerwieni.

Nie oznacza to oczywiście, że JWST zdubluje wysiłki swoich poprzedników. Spektrum podczerwieni jest bardzo szerokie i żaden z teleskopów nie pokrywa go w całości. Rozpoczyna się na długości 0,7 mikrometra i kończy dopiero na 1 milimetrze (dalej wchodzimy w przedział mikrofal). Webb został wyposażony w cztery instrumenty (NIRCam, NIRSpec, MIRI, NIRISS) umożliwiające rejestrowanie fal o długości od 0,6 do 28 mikrometrów. Zahaczy więc o górną granicę widma widzialnego (można powiedzieć, że będzie widział odcienie żółci i czerwieni), skupiając się jednak na polu tzw. bliskiej i średniej podczerwieni.

Nie da się również nie wspomnieć o obiecującym potencjale 6,5-metrowego zwierciadła, złożonego z osiemnastu berylowych, pokrytych złotem segmentów. To 2,7 razy więcej niż średnica lustra Teleskopu Hubble’a i 7,6 razy więcej od średnicy zwierciadła zainstalowanego na pokładzie Spitzera. Muszę jednak zwrócić uwagę, że wbrew rozsianym w sieci różnorodnym ciekawostkom, bardzo trudno o jednoznaczne porównanie ostrości obserwacji w wykonaniu Webba i Hubble’a. Rozmiar zwierciadła to istotny czynnik, ale konkretna odpowiedź zależy także od analizowanego trybu pracy. Znajdziemy częstotliwości, na których nowy teleskop zaoferuje nam nawet dziesięciokrotnie większą rozdzielczość, ale będą i takie, gdzie szczegółowość wykonanych zdjęć okaże się porównywalna.

Wyjrzeć za pył

Ktoś mógłby zapytać, dlaczego postawiono akurat na podczerwień. Czy nie lepiej byłoby wydać okrągłą sumkę 10 miliardów dolarów na oglądanie wszechświata w świetle widzialnym? Cóż, gdybyśmy na moment zyskali supermoc oglądania świata w zakresie dłuższych fal, szybko zrozumielibyśmy jak wiele informacji na co dzień nam umyka. Nagle noc przestałaby być taka ciemna, a wszystkie obiekty o temperaturze wyższej od otoczenia stałyby się doskonale widoczne. Odkręcony kaloryfer, stygnąca herbata czy wymęczony laptop żarzyłyby niczym żarówki.

W przypadku badań kosmicznych sprawy mają się dość podobnie. Struktury niewielkie lub zakryte – trudne do wyłapania na normalnym zdjęciu – jeśli są wystarczająco ciepłe, w podczerwieni stają się bardzo wyraźne.

Mgławice w podczerwieni
Fotografie Mgławicy Głowa Małpy oraz Filarów Stworzenia. Po lewej znajdują się obrazy w zakresie światła widzialnego, po prawej natomiast w bliskiej podczerwieni. Jak widać na tych przykładach, podczerwień jest w stanie przeniknąć przez obłoki, dzięki czemu łatwiej spenetrować ich wnętrze. Instrumenty Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pozwolą na znacznie więcej.

Najlepszym przykładem wykorzystania tego zjawiska pozostają obserwacje mgławic. Standardowy teleskop optyczny pokaże nam po prostu obraz barwnej chmury gazów i pyłów, rozciągniętej na obszarze kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu lat świetlnych. Obraz piękny, ale o ograniczonej wartości naukowej. Dopiero przechodząc w podczerwień ujrzymy ukryte szczegóły, jak rozgrzane strumienie migrującej materii lub punkciki będące świeżo uformowanymi gwiazdami. Oczywiście błyszczą one również w zakresie widzialnym, jednak fotony podczerwone mają tę cudowną właściwość, że lepiej radzą sobie z przedzieraniem przez woal pyłów, nie ulegając po drodze tak łatwej absorbcji czy rozproszeniu. A ponieważ większość wartych uwagi miejsc w kosmosie pozostaje mocno zapylonych (młode układy planetarne, gwiezdne żłobki, centra galaktyk), podczerwień wyrasta na najlepszą przyjaciółkę astronomów.

Głębokie pole Webba

Z Teleskopem Webba wiązane są również nadzieje na bardziej spektakularne obserwacje. Niektóre z nich będą miały wymiar kosmologiczny i pogłębią naszą wiedzę o wczesnych stadiach ewolucji całego wszechświata. Może niekoniecznie o okresie niemowlęcym – bo od tego mamy dane zgromadzone przez sondy Planck i WMAP, portretujące prastare mikrofalowe promieniowanie tła – ale już o wieku “przedszkolnym”, jak najbardziej.

Wszystko dzięki temu, że światło przemierza kosmiczną pustkę ze stałą i ograniczoną prędkością, docierając do obserwatora z odpowiednim opóźnieniem, uzależnionym od odległości. O ile na przebycie drogi między Słońcem a Ziemią fotony potrzebują tylko 8 minut, o tyle w przypadku innych galaktyk mowa już o milionach, a nawet miliardach lat. To proste einsteinowskie ograniczenie, które studzi nasze marzenia o wielkich kosmicznych wojażach, dla badaczy nieba stanowi prawdziwe dobrodziejstwo. Kiedy bowiem podziwiamy zdjęcie kwazara oddalonego o ponad 13 miliardów lat świetlnych, to dosłownie patrzymy na oblicze obiektu uformowanego niedługo po wielkim wybuchu; na pierwsze pokolenie gwiazd i galaktyk. Astronom analizujący takie struktury przywdziewa buty (astro)archeologa i na własne oczy poznaje najstarsze dzieje wszechświata.

Hubble całkiem nieźle wywiązywał się z roli “wehikułu czasu”. Legendą obrosło choćby Głębokie pole Hubble’a, czyli fotografia usiana trzema tysiącami galaktyk, wykonana przez długie naświetlanie niewielkiego, na pierwszy rzut oka pustego skrawka nieba. Najodleglejsze, a więc jednocześnie najstarsze “plamki” ujęte na fotografii liczą sobie 13,1 miliarda lat. Przy kolejnych próbach (Ultragłębokie oraz Ekstremalnie głębokie pole Hubble’a) cofnięto się jeszcze o kolejne sto milionów lat. Z kolei włączenie do zabawy innych obserwatoriów i wspólna praca na różnych długościach fal, umożliwiła wyłowienie pojedynczych rekordzistów (np. kwazar MACS0647-JD) liczących sobie nawet 13,3 miliarda lat.

Głębokie pole Hubble'a
Ikoniczne Głębokie pole Hubble’a. Fotografia powstawała podczas obserwacji niewielkiego fragmentu nieba, między 18 a 28 grudnia 1995 roku. Każda ze świetlistych plamek to osobna galaktyka. Co podczas podobnej ekspozycji ukaże nam Teleskop Webba?

JWST bez wątpienia osiągnie jeszcze więcej, nie tylko dzięki znacznie większemu zwierciadłu, ale również przez swój zakres funkcjonowania. Wszechświat nieustannie rośnie i zgodnie z prawem Hubble’a–Lemaître’a im większy dystans dzieli dwie galaktyki, tym szybciej od siebie uciekają. A skoro przestrzeń między Ziemią i obserwowanym obiektem puchnie, wyemitowana przezeń fala świetlna ulega po drodze rozciągnięciu. W efekcie dochodzi do przesunięcia ku czerwonej części widma. W pewnym momencie mamy do czynienia z kwazarami odsuwającymi się od nas tak szybko, że ich światło przed dotarciem do teleskopu, wkracza już w spektrum podczerwieni. I tu na scenę (cały na złoto) wchodzi Webb.

Powtórna jonizacja wszechświata

Obserwacje kosmologiczne zostaną rozpoczęte już w pierwszym roku pracy, w ramach programu COSMOS-Webb. Według zapowiedzi, w grę wchodzi ponad 200-godzinny przegląd wycinka nieba o wielkości kątowej tarczy Księżyca w zakresie średniej podczerwieni, a także trzy razy większego obszaru w podczerwieni bliskiej. Wykonana w ten sposób fotografia będzie szersza i głębsza od dzieł Hubble’a, w związku z czym liczba uwiecznionych galaktyk może iść w miliony.

Celów projektu jest kilka, ale wszystko sprowadza się do zgromadzenia danych na temat słabo poznanej epoki w dziejach wszechświata, nazywanej fachowo okresem rejonizacji[2]. Nazwa pochodzi od powtórnego zjonizowania materii, ale możemy też mówić o lepiej przemawiającym do wyobraźni kosmicznym świcie.

Ewolucja wszechświata, era rejonizacji
Wraz z ekspansją wszechświata światło wyemitowane we wczesnych epokach uległo rozciągnięciu.

Idea jest następująca. Zaraz po wielkim wybuchu wszechświat był gorący i gęsty, wypełniony po brzegi silnym promieniowaniem oraz śmigającymi bez ładu i składu, zderzającymi się ze sobą świeżymi cząstkami materii. Z czasem przestrzeń urosła, a energia elektronów oraz protonów spadła na tyle, że mogły wejść ze sobą w taniec, tworząc ogromne ilości atomów wodoru. W pewnym momencie, około 380 tys. lat od chwili “zero”, było już na tyle spokojnie, że najstarsze fotony bez przeszkód – tj. bez obijania się o rozwydrzone elektrony – pomknęły prosto przed siebie. Towarzyszą nam do dzisiaj, choć osłabły na tyle, że stanowią jedynie blady, ledwie wyczuwalny relikt wypełniający całą przestrzeń. Nosi on nazwę mikrofalowego promieniowania tła.

Nie, to jeszcze nie ten kosmiczny świt, który nas interesuje. Po oswobodzeniu pierwotnych, szybko słabnących fotonów i połączeniu cząstek w neutralnie elektrycznie atomy, nastała era… nudy. Przez jakieś kilkaset milionów lat było stosunkowo ciemno, a największą atrakcję wszechświata stanowiły bezkształtne chmury wodoru. Na szczęście do pracy zabrała się grawitacja, która powoli, acz skutecznie ściskała materię, pozwalając rozbłysnąć pierwszym gwiazdom (tak, to ten kosmiczny świt). I od razu zaczęło się robić ciekawie. Nie dość, że światło nowonarodzonych gwiazd przełamało monotonię kosmicznej czerni, to część emitowanych przezeń fotonów – zwłaszcza tych ze spektrum ultrafioletu – drażniła pobliskie obłoki wodoru, oddając swoją energię i doprowadzając do ich (powtórnej) jonizacji.

Rejonizacja wodoru
Światło pierwszych gwiazd prowadziło do stopniowej rejonizacji wodoru wypełniającego dawny wszechświat.

Niebawem wszystkie gwiazdy okalały sferyczne bąble zjonizowanego gazu. Naukowcy oddaliby wiele, aby sięgnąć wzrokiem do tej epoki, weryfikując obecne teorie i uzupełniając domniemaną chronologię wydarzeń. Oczywiście nie spodziewamy się uzyskać zdjęć pojedynczych gwiazd. Taki wyczyn przy odległościach idących w miliardy lat świetlnych to zbyt wiele, nawet dla ultranowoczesnego Webba. Jednak okres rejonizacji to również pierwsze eksplozje supernowych, narodziny supermasywnych czarnych dziur i moment kształtowania zalążków galaktyk. Coś interesującego zobaczymy na pewno.

Astronomiczne origami

Rozpisałem się o potencjalnych odkryciach Webba, ale żeby dokonał on jakichkolwiek obserwacji musi najpierw bezpiecznie dotrzeć w wyznaczone miejsce. Tu pojawia się kolejna różnica względem Teleskopu Hubble’a. Staruszek od 32 lat obiega Ziemię na wysokości 600 kilometrów ponad naszymi głowami. Tymczasem JWST w ogóle nie trafi na orbitę naszej planety, parkując znacznie dalej, w punkcie Lagrange’a L2. To szczególne miejsce w przestrzeni, gdzie przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Słońca równoważy wypychającą satelitę siłę odśrodkową. Ujmując rzecz bardziej obrazowo, obiekt umieszczony w punkcie L2 będzie obiegał Słońce równo z Ziemią, ale na nieco wyższej orbicie.

Punkty Langrange'a
Niebieska kropka to Ziemia, natomiast zielone to punkty Lagrange’a (oczywiście bez zachowania skali). Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie zawieszony w punkcie L2, półtora miliona kilometrów od Ziemi.

W praktyce, Teleskop Webba znajdzie się w odległości półtora miliona kilometrów od Ziemi: cztery razy dalej niż Księżyc i prawie cztery tysiące razy dalej niż Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Inaczej niż w przypadku Teleskopu Hubble’a, jeżeli cokolwiek pójdzie nie tak – poluzuje się śrubka, odepnie kabelek albo zwierciadło zgubi ostrość – nie ma żadnej szansy na wysłanie misji serwisowej[3].

Położenie Teleskopu Jamesa Webba

Ta ryzykowna gimnastyka ma swoje uzasadnienie. Zakładam, że słyszeliście o zjawisku “zanieczyszczenia światłem”. To prawdziwa zmora zarówno naukowców jak i amatorów astronomii, którzy chcąc podziwiać nieboskłon w pełnej okazałości, muszą uciec jak najdalej od miejskich źródeł światła. W zakresie podczerwieni jest jeszcze trudniej, bo jak już ustaliliśmy, promieniują wszystkie rozgrzane obiekty. Na nieszczęście dla naukowców, Ziemia pozostaje relatywnie ciepłym kawałkiem skały o średnicy prawie 13 tysięcy kilometrów. Rozkładanie ultraczułego zwierciadła tuż nad atmosferą miałoby więc tyle samo sensu, co budowa obserwatorium astronomicznego pomiędzy wieżowcami na Manhattanie.

Istnieje oczywiście również drugie potężne źródło nieznośnego promieniowania, pod postacią Słońca. Z myślą o naszej gwieździe inżynierowie zainstalowali teleskop na charakterystycznej poliamidowej podstawce. Choć na pierwszy rzut oka tego nie widać, ten przerośnięty latawiec stanowi kolejny inżynieryjny majstersztyk, nie mniej imponujący od samego zwierciadła. Osłonę tworzy pięć warstw o grubości włosa, odbijających światło słoneczne tak skutecznie, że nawet, gdy po jednej stronie będziemy mogli zagotować wodę, to temperatura drugiej nie wzrośnie powyżej -230°C.

Rozłożenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Zarówno zwierciadło jak i osłona Teleskopu Jamesa Webba będą złożone na czas podróży.

Jeszcze przed dotarciem do wyznaczonego punktu, Webb rozłoży z gracją swoją osłonę oraz zwierciadło, zostawiając Ziemię i Słońce za “plecami” i zwracając się ku kosmicznej czerni. Co tam znajdzie? Pisałem już o gwiezdnych żłobkach oraz echach ery rejonizacji, jako celach potencjalnie najciekawszych, ale JWST w zasadzie nie ma ograniczeń. Egzoplanety, rubieże Układu Słonecznego, supernowe, odciski ciemnej materii, mgławice, czy czarne dziury – badacze każdej z tych działek ze zniecierpliwieniem przebierają nogami, marząc o wyszarpaniu dla siebie choćby paru godzin z cennego czasu obserwacyjnego.

Pozostaje tylko wyczekiwać pierwszych zdjęć i rozwiązania worka z kosmicznymi odkryciami.

Literatura uzupełniająca:
E. Chapman, Pierwsze światło. Jak wszechświat wyszedł z mroku, przeł. J. Sawicka, Warszawa 2021;
L. Grossman, When James Webb launches, it will have a bigger to-do list than 1980s researchers suspected, [online: sciencenews.org/article/james-webb-space-telescope-launch-space-science-cosmos-exoplanets];
Frequently Asked Questions. General questions about Webb, [online: jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html];
C. Impey, The most powerful space telescope ever built will look back in time to the Dark Ages of the universe, [online: theconversation.com/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of-the-universe-169603];
A. Kotarba, Prawdziwa moc wielkiego lustra JWST, [online: czarneswiatlo.pl/zwierciadlo-jwst/];
J. O’Callaghan, Das erste Jahr des Hubble-Nachfolgers, [online: spektrum.de/news/das-erste-jahr-des-james-webb-space-telescope/1881175];
A. Witze, The $11-billion Webb telescope aims to probe the early Universe, [online: nature.com/articles/d41586-021-03620-1].
[+]
Mondro frela ze Ślunska – Maria Goeppert-Mayer Czego brakuje Jowiszowi żeby stał się gwiazdą? Czy rozszerzanie wszechświata może przekroczyć prędkość światła?