Jedno zdjęcie, bezlik światów

Kiedyś mówiło się, że jeden obraz wart jest tysiąca słów. Jeśli tak, to Głębokie Pole Webba warte jest tysiąca galaktyk, miliardów gwiazd i pewnie biliona planet. W końcu, jeśli otwierać nowy rozdział w historii astronomii, to z przytupem.

Wspinaj się do raju schodami zadziwienia.

Ralph Emerson

Zanim zatracimy się bez reszty w podziwianiu pierwszego poważnego efektu pracy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, przypomnijmy sobie, od czego to wszystko się zaczęło. A zacząć się wcale nie musiało, ponieważ idea intensywnego monitorowania niewielkiego, niewyróżniającego się niczym szczególnym skrawka nieboskłonu, początkowo była odbierana w środowisku naukowym dosyć chłodno.

Pomysł narodził się w pierwszej połowie lat 90. w głowie Roberta Williamsa, profesora Uniwersytetu Arizony i – co w tym przypadku ważniejsze – ówczesnego dyrektora Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego, czyli gremium koordynującego prace Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Williams zaproponował, żeby skierować zwierciadło orbitalnego obserwatorium w jeden punkt nieba północnego, w obrębie konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy i przyglądać się mu nieustannie przez 10 dni. Musicie mieć na uwadze, że mówimy o czasie obserwacyjnym najważniejszego przyrządu naukowego świata, jakim był wciąż nowy w tamtym momencie Teleskop Hubble’a[1]. Astronomowie z całego świata ustawiali się w długich kolejkach, żeby wyrwać dla siebie choćby kilka godzin, tymczasem Williams zażądał zawieszenia wszystkich projektów na dziesięć dni. I to nie w celu zbadania jakiegoś nagłego rozbłysku kwazara lub wybuchu supernowej, lecz dla monitorowania przypadkowego kawałka nieba.

Głęboko

Plan być może nie doszedłby do skutku – a na pewno nie tak szybko – gdyby nie fakt, że Williams był nie tylko naukowcem, ale przede wszystkim dyrektorem Instytutu Naukowego, a więc wysoko postawioną szychą, mającą prawo głosu w kwestii terminarza. Wykorzystywanie uprzywilejowanej pozycji nie brzmi zbyt elegancko, ale osiągnięte rezultaty sprawiły, że chyba wszyscy wybaczyli Williamsowi wepchnięcie się w kolejkę.

Między 18 a 28 grudnia 1995 roku teleskop wykonał 150 okrążeń wokół Ziemi, efektywnie naświetlając wybrany obszar przez 42 godziny. Tak uzyskano 342 zdjęcia, które następnie odfiltrowano, oczyszczono i złożono w zapierającą dech w piersiach całość. Głębokie Pole Hubble’a (ang. Hubble Deep Field) z miejsca stało się jednym z najbardziej ikonicznych obrazów w dziejach astronomii, a może i całej nauki.

Głębokie Pole Hubble'a
Głębokie Pole Hubble’a z 1995 roku.

Na fotografii widnieje około 3 tysięcy świetlistych plamek, a każda to odrębna galaktyka. Nie gwiazda, lecz podobna Drodze Mlecznej kosmiczna wyspa o średnicy tysięcy lat świetlnych, zawierająca miliardy słońc. Co równie interesujące, uchwycone obiekty znajdują się w bardzo różnych odległościach: od kilkuset milionów do ponad ośmiu miliardów lat świetlnych. A ponieważ światło porusza się z ograniczoną prędkością, podziwiając Głębokie Pole Hubble’a równocześnie patrzymy w przeszłość. Fenomen polega na tym, że na jednej fotografii mieszczą się galaktyki reprezentujące różne okresy w historii wszechświata, dając nam unikatowy wgląd w przebieg kosmologicznej ewolucji. A wszystko to w niepozornym, ciemnym skrawku firmamentu, który nie przykryłby nawet dziesiątej części tarczy Księżyca.

I głębiej

W kolejnych latach idea Głębokich Pól była z powodzeniem kontynuowana. W 1998 roku, w bliźniaczy sposób, przez 10 dni naświetlano wycinek nieboskłonu w gwiazdozbiorze Tukana. Wybrano obszar widoczny z półkuli południowej, przeciwległy do miejsca poprzedniej obserwacji. W Głębokim Południowym Polu Hubble’a znów złapano tysiące obiektów, co upewniło naukowców, że za pierwszym razem nie mieli do czynienia z żadną anomalią i bez względu na kierunek, cały wszechświat pozostaje równie gęsto upstrzony gromadami galaktyk.

Po renowacji systemów chłodzenia, kamery bliskiej podczerwieni i spektrometrów, HST jeszcze dwukrotnie śrubował własne rekordy, wpatrując się w niewielki sektor konstelacji Pieca. W ten sposób, pomiędzy 2003 i 2004 rokiem powstało Ultragłębokie Pole Hubble’a, obejmujące aż 10 tysięcy galaktyk, z których najstarsze liczyły sobie nawet 13 miliardów lat. Później, w 2012 roku instrumenty raz jeszcze przeczesały samo serce tego obszaru, tworząc Ekstremalnie Głębokie Pole Hubble’a. Nieco mniejsze, bo zawierające tylko 5 tysięcy galaktyk, ale sięgające jeszcze dalej, do 13,2 miliarda lat.

Ultragłębokie Pole Hubble'a
Ultragłębokie Pole Hubble’a z 2004 roku.
Ekstremalnie Głębokie Pole Hubble'a
Ekstremalnie Głębokie Pole Hubble’a z 2012 roku.

Do tego doszło kilka mniej spektakularnych, ale również interesujących ujęć przedstawiających m.in. okolice gromad MACS J0416, Abell S1063, Abell 370, czy SMACS J0723.

I wchodzi on, cały na złoto

Jeszcze zanim Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba trafił na swoje miejsce (tj. punktu L2, półtora miliona kilometrów od Ziemi), NASA ogłosiła, że jednym z jego pierwszych celów, a zarazem pokazem możliwości, będzie wykonanie własnej wersji Głębokiego Pola. Zarówno fani astronomii, jak i zawodowi badacze mogli tylko zacierać ręce, ponieważ wiedzieli, że nowe obserwatorium sięgnie dalej niż wysłużony Hubble i ukaże najwcześniejsze etapy formowania galaktyk. Wielkie oczekiwania wynikały nawet nie tyle z samych rozmiarów 6,5-metrowego pozłacanego zwierciadła, co innego spektrum działania.

Zdjęcia z Teleskopu Jamesa Webba

W związku z ekspansją wszechświata galaktyki od nas uciekają – im bardziej oddalone, tym szybciej. Fizyczną oznaką tej ucieczki jest rozciągnięcie fali świetlnej i przesunięcie ku czerwonej części widma. I tu ujawnia się cała przewaga JWST. Odwrotnie do Teleskopu Hubble’a, zbierającego światło w spektrum widzialnym z drobną domieszką bardzo bliskiej podczerwieni, Webb pracuje głównie w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni, lekko tylko zahaczając o światło widzialne.

I oto, po serii kalibracji i zdjęć testowych, w nocy z 11 na 12 lipca 2022, na specjalnej konferencji w Białym Domu (to miłe, że politycy potraktowali naukowe wydarzenie z odpowiednią pompą), przedstawiono światu Pierwsze Głębokie Pole Webba (ang. Webb’s First Deep Field). Sama nazwa sugeruje, że to dopiero rozgrzewka, ale już teraz jest na czym zawiesić oko.

Pierwsze zdjęcia z Teleskopu Webba, Głębokie Pole
Jedno z pierwszych zdjęć Teleskopu Webba: Głębokie Pole z 2022 roku.

Zdjęcie zostało wykonane przez kamerę średniej podczerwieni MIRI i uszczegółowione w bliskiej podczerwieni przez NIRCam. Przedstawia ono oddaloną o 4,6 miliarda lat świetlnych[2] gromadę SMACS J0723 w konstelacji Ryby Latającej, ale w tle uwieczniono wiele, wiele więcej. Uwagę zwracają liczne rozciągnięte zawijasy. Na pierwszy rzut oka wyglądają na jakiś błąd optyki, lecz w rzeczywistości są efektem działania einsteinowskiej ogólnej teorii względności w jej najczystszej postaci. Każda z wydłużonych plamek to nic innego, aniżeli odległa galaktyka, której światło uległo zdeformowaniu, podczas przejścia przez silne pole grawitacyjne masywnej gromady.

Na stronie NASA brakuje informacji o szacunkowej liczbie złapanych galaktyk (a sam nie podejmę się liczenia), ale gołym okiem widać, że 12,5-godzinna ekspozycja wystarczyła do wykonania jednego z najgłębszych, a przy tym najostrzejszych obrazów wszechświata. Zresztą SMACS J0723 była w przeszłości oglądana również za pośrednictwem Hubble’a, więc wybierając na początek akurat tę gromadę, starano się unaocznić dokonany postęp. Co prawda takie zestawienie jest trochę nie fair, z uwagi na ślepotę staruszka w podczerwieni, ale efekt promocyjny zdecydowanie został osiągnięty.

Porównanie zdjęć z Teleskopu Webba i Teleskopu Hubble'a
Porównanie zdjęć SMACS J0723 w wykonaniu HST i JWST.

Niesamowity jest fakt, jak mocno te niepozorne, bałaganiarskie zbiory kolorowych kleksów i punkcików przemawiają do wyobraźni. Ile nie wpatrywałbym się w dowolną wersję Głębokiego Pola, nigdy nie uznam go za coś powszechnego, do czego mógłbym ot tak przywyknąć. Jeden rzut oka wystarczy, żeby z pokorą, ale i ekscytacją poczuć przygniatający ogrom przestrzeni i czasu. Jak tu nie czekać na Ultragłębokie, Ekstremalnie Głębokie i wszystkie kolejne Pola Webba?

Literatura uzupełniająca:
NASA’s Webb Delivers Deepest Infrared Image of Universe Yet, [online: nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet];
A. Kotarba, Prawdziwa moc wielkiego lustra JWST, [online: czarneswiatlo.pl/zwierciadlo-jwst/];
E. Chapman, Pierwsze światło. Jak wszechświat wyszedł z mroku, przeł. J. Sawicka, Warszawa 2021;
N. deGrasse Tyson, M. Strauss, J. Gott, Witamy we wszechświecie. Podróż astrofizyczna, przeł. J. Bieroń, Poznań 2019;
N. degrasse Tyson, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, przeł. P. Rączka, Warszawa 2007.
[+]
Szanuj swój statek kosmiczny Kosmiczna symfonia cz.5: M-Teoria Fizyka made in Poland – czyli polscy fizycy, których znać wypada