Powrót do przeszłości z Teleskopem Webba

Od wystrzelenia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba minął zaledwie rok. Jednak tyle wystarczyło, żebyśmy mogli zajrzeć w czeluść wszechświata głębiej niż kiedykolwiek wcześniej.

Dzięki tym obserwacjom dopiero zaczynamy badać to, co często nazywa się Kosmicznym Brzaskiem.

Michael Strauss

Do najważniejszych wyzwań przewidzianych dla Teleskopu Webba od początku należało rejestrowanie możliwie najodleglejszych galaktyk, a więc takich, których światło potrzebowało przynajmniej 13 miliardów lat, aby dotrzeć do Ziemi. To, co w takim przypadku zobaczymy, będzie oczywiście obrazem mocno archiwalnym – skoro fotony biegły do nas miliardy lat, pokażą nam obiekt taki, jakim był miliardy lat temu. Złapana w obiektyw galaktyka być może od dawna nie istnieje, posiada inny kształt albo została wchłonięta przez inną w akcie kosmicznego kanibalizmu. Jednak właśnie dlatego, że fotografie przedstawiają zamierzchłą przeszłość, są dla badaczy tak wartościowe.

Jeśli nie do końca rozumiecie to podniecenie, wyobraźcie sobie, że jesteście zawodowymi historykami i dostajecie okazję skorzystania z wehikułu czasu[1]. Nagle możecie samodzielnie przekonać się, czy Leonidas naprawdę posiadał idealny “kaloryfer” na brzuchu, czy hiszpańska inkwizycja rzeczywiście wyskakiwała w najmniej spodziewanym momencie albo czy Maria Antonina serio chciała karmić paryskie pospólstwo ciastkami. Otrzymalibyście klucz do skarbca z odpowiedziami, pozwalającymi skontrolować każdą hipotezę, domysł, źródło czy anegdotę.

Teleskop Webba i wszechświat
Teleskop Jamesa Webba może nam pozwolić na sięgnięcie do epoki rejonizacji i “kosmicznego świtu”.

Potężne obserwatoria pełnią dla astronomów rolę właśnie takiego wehikułu czasu[2]. Liczą oni na to, że ultraczułe obserwacje prowadzone przez Webba w bliskiej i średniej podczerwieni rzucą nieco światła na wczesne etapy ewolucji wszechświata, potwierdzając bądź falsyfikując obecne hipotezy kosmologiczne. Zwłaszcza przypuszczenia dotyczące enigmatycznej epoki rejonizacji (czyli powtórnej jonizacji) materii, trwającej między 150 milionami a miliardem lat po wielkim wybuchu. Starania zmierzające do tego celu pozostają formalnie ujęte w ramy dwóch projektów: PEARLS (ang. Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science) oraz JADES (ang. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey).

Zbieranie interesujących danych zaczęło się już w lipcu, niemal natychmiast po rozłożeniu zwierciadła. Efektem 12,5-godzinnej ekspozycji skrawka nieba w gwiazdozbiorze Ryby Latającej było medialne Pierwsze Głębokie Pole Webba, którym na konferencji pochwalił się sam prezydent Joe Biden. Zdjęcie stanowiło dla nowego teleskopu tylko rozgrzewkę, ale i tak ukazało mrowie odległych galaktyk. Już wtedy przypuszczano, że któryś z najmniejszych, rozmytych czerwonawych zawijasów może stanowić ślad najdalszej zarejestrowanej dotąd przez człowieka galaktyki. Jednak z ogłaszaniem rekordów i wyciąganiem poważniejszych wniosków, naukowcy woleli wstrzymać się do kolejnych, dokładniejszych obserwacji.

Nie musieliśmy czekać zbyt długo. Oba wspomniane zespoły naukowców – JADES oraz PEARLS – podzieliły się pierwszymi wynikami swoich badań niemal równocześnie, 9 i 14 grudnia 2022. I chociaż ich publikacje nie doczekały się szerszej uwagi telewizji czy Białego Domu, warto rzucić na nie okiem.

Teleskop Webba i projekt JADES
Obszar nieba analizowany w ramach projektu JADES. Najodleglejsza z wyłapanych galaktyk JADES-GS-z13 musiała istnieć w zaobserwowanej formie już 330 milionów lat po wielkim wybuchu.
Teleskop Webba i projekt PEARLS
Pas północnego bieguna ekliptyki badany przez ekipę projektu PEARLS.

Istota obu projektów prezentuje się dość podobnie. Astronomowie wzięli na warsztat fragmenty nieba skanowane już wcześniej przez Teleskop Hubble’a, pogłębiając obserwacje przy pomocy instrumentów Teleskopu Webba: kamery bliskiej podczerwieni NIRCam oraz spektrografu NIRSpec. W przypadku JADES zajęto się obszarem nieba południowego w gwiazdozbiorze Pieca – z grubsza pokrywającym się z Ultragłębokim Polem Hubble’a (HUDF) z 2004 roku. Ekipa PEARLS skupiła się natomiast na nieco szerszym pasie północnego bieguna ekliptyki, w okolicy konstelacji Smoka.

Jedni i drudzy dostali to, czego oczekiwali. “Puste” skrawki nieboskłonu o rozmiarach 1-2% szerokości kątowej tarczy Księżyca, okazały się wypełnione po brzegi tysiącami galaktyk, wśród których wypatrzono struktury mające na karku nawet ponad 13,4 miliarda lat. Na wszelki wypadek przypomnę, że według aktualnych pomiarów wszechświat liczy sobie 13,82 mld lat, toteż mówimy o świetle wyemitowanym 300-500 milionów lat po wielkim wybuchu. Odległość i wiek szacuje się na podstawie tego, jak bardzo zarejestrowany sygnał jest przesunięty ku czerwieni. Zgodnie prawem Hubble’a–Lemaître’a, im większy dystans dzieli obie galaktyki, tym szybciej od siebie uciekają, co przekłada się na rozciągnięcie fali świetlnej i przesunięcie ku czerwonej części widma. Jeden z zarejestrowanych obiektów wykazał rekordowe przesunięcie z = 13,2, świadczące o tym, że mruga do nas spod samej granicy obserwowalnego wszechświata, a złapane fotony wyruszyły w drogę 330 milionów lat po wielkim wybuchu[3].

Przesunięcie ku czerwieni a wiek wszechświata
Przesunięcie ku czerwieni wskazuje jak dawno obiekt wyemitował swoje światło. Obraz galaktyk o przesunięciu z=10 lub większym, pochodzi z momentu, kiedy wszechświat liczył sobie tylko kilkaset milionów lat.

Na pozór Webb nie zmienił zbyt wiele. Dotychczasowe badania prowadzone za pośrednictwem teleskopów Subaru, Kecka, Spitzera, czy Hubble’a, pozwoliły nam cofać się o 13,1-13,3 mld lat[4]. Spójrzmy na to jednak od innej strony. 100 milionów lat stanowi ledwie 0,7% całego obecnego wieku wszechświata, ale jeśli rozważamy tylko wczesny etap kosmicznej ewolucji, to już każde 100, 50, a nawet 10 milionów lat zaczyna robić wyraźną różnicę.

Dokonane obserwacje zdają się to potwierdzać. Jeśli coś zaskoczyło astronomów to fakt, że najstarsze z dostrzeżonych galaktyk wyglądają aż nazbyt… zwyczajnie. Dawne modele kosmologiczne zakładały, że kosmiczny świt nastąpił mniej więcej 250 milionów lat po narodzinach wszechświata. Dopiero wtedy kierowane grawitacją obłoki wodoru uformowały pierwszą populację gwiazd, które z czasem grupowały się w niezgrabne protogalaktyki. Jednak wszystko, co widzimy sugeruje, że kiedy wszechświat liczył sobie 330-450 milionów, wypełniała go już spora liczba wielkich, kształtnych (często spiralnych) galaktyk. Oznacza to, że albo gwiazdy odpaliły nieco wcześniej niż podejrzewano, albo że grawitacja zdołała ulepić obecną strukturę wszechświata w ekspresowym (zważywszy na skalę) tempie.

O tym, która odpowiedź jest prawidłowa, możemy przekonać się tylko w jeden sposób: sięgając wzrokiem coraz głębiej i głębiej. Bez względu na to, co Teleskop Webba tam, na rubieżach wszechświata dojrzy (a dojrzy jeszcze wiele), jego obserwacje bez wątpienia zaważą na treści przyszłych podręczników kosmologii.

Literatura uzupełniająca:
E. Chapman, Pierwsze światło. Jak wszechświat wyszedł z mroku, przeł. J. Sawicka, Warszawa 2021;
R. Windhorst, S. Cohen, R. Jansen, JWST PEARLS. Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science: Project Overview and First Results, “The Astronomical Journal”, vol. 165, nr 1;
E. Curtis-Lake, S. Carniani, A. Cameron, Spectroscopy of four metal-poor galaxies
beyond redshift ten
, [online: https://arxiv.org/abs/2212.04568];
A. Witze, Four revelations from the Webb telescope about distant galaxies, [online: www.nature.com/articles/d41586-022-02056-5];
B. Downer, NASA’s Webb Reaches New Milestone in Quest for Distant Galaxies, [online: https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-webb-reaches-new-milestone-in-quest-for-distant-galaxies];
C. Pulliam, Webb Glimpses Field of Extragalactic PEARLS, Studded With Galactic Diamonds, [online: https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/webb-glimpses-field-of-extragalactic-pearls-studded-with-galactic-diamonds];
C. Stuart, Webb’s Galactic Distance Record is Now Official, [online: https://skyandtelescope.org/astronomy-news/webbs-galactic-distance-record-is-now-official/].
[+]
Kwantowe interpretacje: wieloświaty Everetta Jak pożar Mannheim zrodził astrofizykę Akcelerator cząstek: duża zabawka dla fizyków