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 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 z 2004 roku.
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.

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 Głębokie Pole Webba 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 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.
[+]
Mezony pi, czyli cząstki stawiające atom do pionu Hej! Tu jest pomarańczowa ziemia! Skończone nieskończoności