Главные открытия James Webb: галактики на краю Вселенной, неудавшиеся звезды и метан на экзопланетах

25 декабря 2021 года ученые со всего мира с замиранием сердца следили за трансляцией пуска Ariane 5 из Французской Гвианы. Столь повышенное внимание объяснялось просто: на борту ракета несла космический телескоп James Webb (James Webb Space Telescope, JWST), чье создание растянулось почти на два десятилетия и обошлось в $10 млрд.

С тех пор прошло уже два года. James Webb успешно вышел на орбиту, совершил перелет на рабочую позицию в окрестностях точки Лагранжа L₂, после чего приступил к выполнению своей научной программы. Так что уже удалось обнаружить телескопу за это время? Давайте разбираться.

Заглянуть на край Вселенной

Ключевая задача James Webb заключается в изучении первых звезд и галактик, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва. Дело в том, что такие объекты находятся на колоссально огромных расстояниях от Земли, и длина волны испускаемого ними света увеличилась настолько, что он превратился в инфракрасное излучение. Именно поэтому James Webb и заточен под наблюдения в данном диапазоне. В какой-то мере его можно сравнить с астрономической машиной времени. Телескоп дает астрономам возможность увидеть, как наша Вселенная выглядела во «младенчестве», и изучить, какими объектами она тогда была заполнена.

James Webb уже предпринял ряд шагов в этом направлении. В частности, ему удалось обнаружить целый ворох галактик, образовавшихся спустя всего несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. На данный момент рекорд удерживает JADES-GS-z13-0, открытая телескопом в сентябре 2022 года. Результаты измерения ее красного смещения показали, что она расположена на расстоянии 13,4 млрд световых лет от Земли. Однако из-за расширения Вселенной реальная дистанция до галактики составляет около 33,6 млрд световых лет. Это означает, что мы видим ее такой, какой она была всего через 320 млн лет после Большого взрыва.

Другой интересной находкой JWST стало древнейшее подтвержденное на сегодняшний день скопление из семи галактик. Они существовали всего спустя 650 млн лет после Большого взрыва.

Телескоп сосредоточился и на изучении Эарендель, самого далекого известного нам светила во Вселенной. Испускаемому ним свету потребовалось 12,9 млрд лет, чтобы достичь Земли. С учетом фактора расширения Вселенной сейчас Эарендель (точнее говоря, ее остатки, ведь звезда давно стала сверхновой) находится на расстоянии 28 млрд световых лет от нашей планеты.

Ввиду настолько огромной дистанции в обычной ситуации даже мощи James Webb не хватило бы, чтобы увидеть это светило. К счастью для астрономов, на линии между Эарендель и Землей расположено массивное скопление галактик. Его гравитация выполнила роль гигантской линзы, в 4000 раз усилив свет далекой звезды.

В ходе наблюдения James Webb удалось установить, что Эарендель являлась звездой спектрального класса B. Ее поверхность была вдвое горячее солнечной, в то время как светимость превосходила светимость Солнца в миллион раз. Телескоп обнаружил даже признаки того, что у нее имелся компаньон.

Ученые надеются, что в будущем телескоп сумеет найти и следы так называемых звезд III населения. Речь о самых первых светилах во Вселенной, которые могли существовать лишь в те времена. Считается, что они обладали массой, намного превосходящей наиболее массивные из имеющихся на сейчас звезд.

Не обошел James Webb своим вниманием и черные дыры. Его нынешний рекорд составляет 570 млн лет. Именно спустя столько времени после Большого взрыва существовала самая далекая активная черная дыра, найденная телескопом. Несмотря на столь юный возраст, своей массой она уже превышала Солнце в 9 млн раз. Для сравнения, масса черной дыры в центре нашей галактики составляет всего 4 млн солнечных.

Открытие JWST вновь подлило масла в огонь дискуссии по поводу того, как первые черные дыры умудрились так быстро вырасти до столь внушительных размеров. Многие астрономы считают, что они образовались не в результате гибели звезд с последующим наращиванием массы, а в ходе прямого гравитационного коллапса массивных газовых облаков, существовавших в ранней Вселенной. Возможно, новые наблюдения James Webb предоставят доказательства этой гипотезы. 

Звездные ясли и туманности

Инфракрасное зрение James Webb хорошо не только для поиска далеких галактик, но и для изучения более близких объектов на нашем Млечном пути, скрытых пылевыми облаками. Пыль блокирует видимый свет, однако пропускает инфракрасное излучение. Именно поэтому James Webb оказался незаменимым помощником в деле изучения звездных яслей — регионов активного звездообразования, где прямо сейчас формируются новые светила и планеты.

Так, в ходе наблюдений образующего звезды региона Персей космическому телескопу удалось найти самые маленькие изо всех известных астрономам неудавшихся звезд — несколько коричневых карликов, чьи массы лежат в диапазоне от трех до восьми масс Юпитера. Исследователи считают, что речь идет именно об объектах, образовавшихся из газопылевых облаков, а не о выброшенных из своих систем экзопланетах.

James Webb весьма активно используется и в изучении протопланетных дисков. За время своей работы телескоп сумел подтвердить давнюю гипотезу о том, что ледяные частицы играют ключевую роль в процессе, ведущем к образованию каменистых экзопланет.

Помимо прочего, ему удалось впервые обнаружить и метил-катион (CH₃+) в протопланетном диске вокруг молодой звезды. Это соединение играет ключевую роль в формировании сложных органических молекул.

А еще телескоп порадовал любителей космоса множеством весьма впечатляющих портретов различных туманностей — от знаменитых Столпов Творения до остатка сверхновой Кассиопеи А. Эти изображения не просто настолько красивы, что их можно рассматривать как своеобразное произведение искусства, но и крайне информативны. Благодаря своим техническим возможностям, во время каждой из этих съемок James Webb удавалось идентифицировать структуры, ранее ускользавшие от внимания астрономов. Это позволило лучше понять, как именно сформировались многие из жемчужин неба, и какие процессы в них сейчас происходят.

Экзопланеты

Еще одним чрезвычайно важным направлением деятельности James Webb является изучение экзопланет. Возможности его инструментов позволяют астрономам производить анализ их атмосфер с точностью, недоступной другим телескопам. И пока что космическая обсерватория оправдывает возложенные на нее ожидания. За время своей работы она уже совершила ряд интересных открытий.

Одним из них стало выявление каменных дождей на «распухшей» экзопланете WASP-107b. Это газовый гигант, обращающийся вокруг оранжевого карлика в 200 световых годах от Земли. По размерам он сопоставим с Юпитером, однако его масса составляет всего 12% от юпитерианской. Экзопланета обладает весьма протяженной атмосферой, простирающейся в окружающее пространство на десятки тысяч километров.

James Webb удалось обнаружить в атмосфере WASP-107b водяной пар, серу и, что самое интересное, силикатные частицы, составляющие ее облака. Как известно, земные облака формируются из капель воды и кристалликов водяного льда. Но на WASP-107b, атмосфера которой разогрета до очень больших температур, эту роль играют силикаты. Их пары поднимаются вверх, конденсируются и образуют песчаные облака, из которых время от времени выпадают каменные дожди. Далее весь цикл повторяется вновь.

Схожее открытие было сделано в процессе изучения и другого «раздутого» газового гиганта WASP-17b. В его атмосфере обнаружились кристаллы кварца.

Каменные облака — далеко не единственное открытие James Webb в ходе изучения атмосфер экзопланет. Ему несколько раз удавалось найти в них метан. Это соединение является одним из главных компонентов живой материи, однако раньше его достаточно редко доводилось встречать на телах за пределами Солнечной системы. Конечно, покамест JWST главным образом находит метан в атмосферах горячих экзопланет, которые вряд ли обитаемы, но у астрономов уже есть и как минимум один более подходящий для жизни кандидат (о нем — чуть ниже).

А иногда отсутствие чего-либо тоже становится открытием. На данный момент James Webb задействован и в изучении знаменитой системы TRAPPIST-1. Она состоит из красного карлика, вокруг которого обращаются семь каменных экзопланет, причем орбиты трех из них лежат в зоне обитаемости.

James Webb уже успел исследовать две внутренние экзопланеты. Наблюдения засвидетельствовали, что у первой практически нет атмосферы, а температура ее поверхности составляет 230 °C. Кроме того, установлено, что альбедо экзопланеты (отражательная способность поверхности) почти идеально соответствует абсолютно черному телу.

Что касается второго мира, то до наблюдений James Webb считалось, что он похож на Венеру и обладает плотной атмосферой, создающей мощный парниковый эффект. Оказалось, что это не так. По данным обсерватории, средняя температура ее дневной стороны составляет порядка сотни градусов. Так что, скорее всего, атмосфера у этого мира тоже отсутствует.

Возможно, наиболее интересным из исследованных JWST миров стал K2-18 b, который обращается вокруг красного карлика в 120 световых годах от Земли, и чья орбита пролегает в зоне обитаемости. Астрономы давно подозревали, что его поверхность может быть покрыта глобальным океаном.

Данные James Webb подтверждают это предположение. Помимо большого количества водяного пара, телескоп обнаружил там метан, углекислый газ, и даже признаки возможного наличия диметилсульфида. На Земле это вещество в сколь бы то ни было заметных количествах производят исключительно живые организмы. Справедливости ради отметим, в NASA пока соблюдают осторожность и говорят, что данные о наличии диметилсульфида требуют дополнительных доказательств.

Солнечная система

James Webb активно используется и для изучения нашей Солнечной системы. В частности, он уже сделал весьма эффектные инфракрасные портреты всех четырех планет-гигантов. Они не только продемонстрировали процессы, происходящие в их атмосферах, но и показали сложную структуру окружающих тела колец.

Помимо планет-гигантов, James Webb понаблюдал и их спутники. И его данные оказались довольно любопытными. К примеру, телескоп сумел запечатлеть гигантский гейзер, производимый подповерхностным океаном Энцелада.

Спутник Европа, в недрах которого тоже находится океан, также преподнес сюрприз. James Webb удалось зафиксировать исходящий из него углекислый газ. Это свидетельствует о возможном наличии в океане Европы углеродных соединений, что делает его потенциально пригодным для жизни.

Телескоп изучал и более мелкие объекты, в частности кентавры. Так называют тела, чьи орбиты пролегают между орбитами Юпитера и Нептуна. По своим характеристикам они занимают промежуточное положение между астероидами и кометами.

На одном из таких объектов под названием 39P/Отерма James Webb обнаружил углекислый газ. Другим кентавром, на который обратил свой взор телескоп, стал Харикло. JWST помог определить размеры окружающих его колец и их строение.

А некоторые открытия James Webb и вовсе сделал случайно. Так, во время калибровки своих инструментов телескоп сумел увидеть один из наиболее маленьких известных астрономам астероидов Главного пояса.

* * *

В завершение нашего мини-обзора стоит сказать, что он охватывает лишь основные открытия James Webb, о которых на данный момент объявлено публике. Однако в реальности их значительно больше. Просто надо понимать, что процесс наблюдения, анализа данных и их последующей перепроверки с использованием других телескопов обычно занимает месяцы, а в некоторых случаях и годы. Поэтому можно смело предположить, что самые интересные находки James Webb еще у нас впереди.