Старинные галактики, поиск экзопланет и тайны звездообразования: в преддверии четвертой годовщины телескопа James Webb

На Рождество, 25 декабря 2021 года, человечество в Западном полушарии на несколько мгновений получило возможность наблюдать за появлением новой звезды. Нет, это была вовсе не Вифлеемская звезда — в утреннем небе над полигоном Куру во Французской Гвиане ярким свечением зажглись двигатели ракеты Ariane 5. Так восходила звезда самого современного мощного космического телескопа планеты — James Webb (JWST). Его путешествие к точке Лагранжа (L₂) на расстоянии 1,5 млн км от Земли длилось около месяца. Наконец, 24 января 2022 года, Webb начал настройку своей сверхчувствительной аппаратуры, и уже в том же году летом мы увидели первые полноцветные изображения самых отдаленных галактик и других космологических структур Вселенной. 

В преддверии четвертой годовщины космической миссии James Webb мы решили вспомнить ее наиболее значимые для астрономии открытия и в очередной раз насладиться непостижимой красотой сделанных ею внеземных фотографий. 

Окно в глубинную Вселенную: публикация снимка SMACS 0723

Сразу после того как James Webb начал свою наблюдательную миссию, многие поклонники астрономии буквально затаили дыхание в ожидании. И вот 12 июля 2022 года NASA представило первую полноцветную фотографию, полученную с помощью этого космического телескопа. На снимке было скопление галактик SMACS 0723, так называемое первое глубокое поле Уэбба. Астрономическое фото демонстрировало тысячи галактик из глубинного космоса. Многие космологические структуры, изображенные на снимке SMACS 0723, ранее либо вовсе никогда не были видимыми, либо были сфотографированы предшественниками JWST в очень плохом качестве.

Главная уникальность скопления галактик SMACS 0723 заключалась в том, что оно представляло собой естественную гравитационную линзу. Масса галактического скопления была настолько большой, что его гравитация искривляла само пространство. Эффект гравитационного линзирования служил своеобразной лупой, значительно усиливая свет от очень удаленных объектов позади массивного скопления. Именно благодаря этому эффекту James Webb смог увидеть галактики, которые существовали всего лишь спустя 600-800 млн лет после Большого взрыва.

Снимок скопления старинных галактик SMACS 0723 был сделан с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) телескопа. James Webb получал эти изображения на разных длинах волн, преимущественно в инфракрасном диапазоне. В течение 12,5 часов телескоп был сконцентрирован в одной точке космического пространства, снимая отдельные участки галактических скоплений. Свет от галактик SMACS 0723 стремился к нам на протяжении 4,7 млрд лет, прежде чем попасть в объектив James Webb.

Первая фотография JWST продемонстрировала, что галактики в ранней Вселенной были значительно ярче и более структурированными, чем считалось ранее. К тому же галактики уже тогда имели спиральные и эллиптические формы, что свидетельствует о довольно быстром процессе их формирования. Забегая наперед, отметим, что знания о настоящей скорости формирования галактик еще удивят команду JWST в последующие годы исследований, но именно снимок SMACS 0723 первым вынудил астрономов пересмотреть теории эволюции галактик. Предположение, что звездообразование на ранних этапах эволюции Вселенной происходило гораздо интенсивнее, начало наглядно подтверждаться данными наблюдений.

Один из первых снимков James Webb сразу превратился в научный прорыв, который моментально перенес нас во времени на миллиарды лет назад. Впервые была продемонстрирована непревзойденная способность телескопа видеть мельчайшие детали сквозь космическую пыль. Изображение SMACS 0723 стало по-настоящему триумфальным началом миссии, которая уже совсем скоро буквально фонтанировала новыми открытиями.

Тайна экзопланет и поиск биосигнатур

Около 60% наблюдений JWST — это не снимки в привычном для нас смысле, а спектрографические исследования. Именно эта методология используется для поиска органики в протопланетных дисках, измерения красного смещения дальних галактик и тому подобного. Среди первых спектров, полученных James Webb 12 июня, была спектрограмма экзопланеты WASP-96b, расположенной примерно в 1150 световых годах от Земли. 

Планета относится к классу горячих юпитеров и вращается вокруг солнцеподобной звезды класса G WASP-96b каждые 3,4 суток. Ее массу удалось измерить относительно точно — она составляет 0,48 массы Юпитера. Предварительные оценки указывали, что эта планета непригодна для жизни и колонизации, однако исследователи ею заинтересовались. Научная команда JWST решила детально ее осмотреть с помощью ближнего инфракрасного тепловизора и бесщелевого спектрографа (NIRISS) — это один из четырех основных исследовательских инструментов телескопа. Это позволило получить кривую блеска WASP-96b — график подтверждения ее транзита (вращения) вокруг своей звезды.

Следует заметить, что открытие экзопланеты WASP-96b не относится к заслугам James Webb. Это случилось за девять лет до того, как он начал свои исследования, в 2013 году, посредством сети роботизированных обсерваторий, которые были частью международного проекта Wide Angle Search for Planets (WASP). Впрочем, именно JWST предоставил наиболее исчерпывающую информацию о юпитероподобном мире, ведь атмосфера планеты была идеальной мишенью для научных инструментов космического телескопа.

Используя методологию транзитной спектроскопии (когда свет от звезды проходит сквозь атмосферу планеты во время ее транзита), JWST смог «разделить» этот свет на компоненты. В результате был получен самый подробный в истории астрономических наблюдений спектр атмосферы экзопланеты. Среди прочего, впервые в атмосфере планеты за пределами нашей Солнечной системы было зафиксировано наличие водяного пара.

Спектрографическое исследование не только показало наличие водяного пара, но и собрало относительно точные сведения о его количестве. Спектр также выявил признаки облаков и тумана, которые ранее было невозможно наблюдать. Обнаружение наличия водяного пара в атмосфере экзопланеты WASP-96b было революционным еще и потому, что именно оно наглядно доказало — у James Webb есть действительно рабочие инструменты, способные точно определять химический состав атмосфер далеких миров. Открытие дало надежду, что в будущем мы сможем найти атмосферу, богатую кислородом, метаном или другими газами, свидетельствующими о биологической активности (наличие биосигнатур). С тех пор, кроме наблюдений за удаленными галактиками, звездами и туманностями, JWST довольно часто сосредотачивается на поиске признаков жизни на других кандидатах в экзопланеты.

По состоянию на 2025 год NASA сообщило, что космический телескоп уже проанализировал химический состав свыше 100 атмосфер наиболее перспективных из 6000 открытых экзопланет. На данный момент космический телескоп успешно определил водяной пар, метан, углекислый газ и монооксид углерода в атмосферах десятков экзопланет. Однако процесс окончательного подтверждения их биосигнатур продлится гораздо дольше, поскольку прежде всего это требует не только выявления самих жизнетворных молекул, но и устранения всех возможных вариантов небиологических источников их происхождения.

Одним из самых перспективных кандидатов, которые исследовал Webb, стала экзопланета K2-18b. В сентябре 2023 года телескоп определил в ее атмосфере наличие метана и углекислого газа. Наиболее интригующим было возможное обнаружение молекулы диметилсульфида (DMS), которая на Земле почти без исключений производится биологическими структурами (фитопланктоном). Впрочем, пока признаки DMS на K2-18b точно не зафиксированы.

В настоящее время космический телескоп продолжает поиск потенциального кандидата на обитаемый мир, который может иметь органическую жизнь. Чувствительность инструментов James Webb впечатляет, ведь они позволяют обнаруживать даже следовые количества сложных молекул. Изучение биосигнатур на K2-18b, которое началось в сентябре 2023 года, может стать важным шагом на пути к решению одной из важнейших загадок человечества: одиноки ли мы во Вселенной?

Новый взгляд на Столпы Творения

В октябре 2022 года JWST направил свои инфракрасные глаза на одну из самых известных космических структур нашей Вселенной — Столпы Творения. Космологическая структура представляет собой огромные колонны из межзвездного газа и пыли, расположенные в большой туманности Орла на расстоянии ≈6500–7000 световых лет от Земли. Столпы Творения являются колыбелью звездообразования, ведь внутри этих огромных очень плотных облаков газа (преимущественно молекулярного водорода) и пыли формируются протозвезды.

Впервые фото этих величественных газопылевых столпов в туманности Орла сделал телескоп Hubble — 1 апреля 1995 года. С тех пор оно стало настоящей иконой современной астрономии. Но Hubble работал только в видимом диапазоне, поэтому не мог сфотографировать космологическую структуру детально из-за толстых слоев космической пыли. И лишь снимки JWST, сделанные в инфракрасном диапазоне, позволили астрономам наконец увидеть внутри Столпов Творения тысячи новорожденных звезд.

Для их исследования пригодились две основные камеры, работающие в ближнем инфракрасном (NIRCam) и среднем инфракрасном (MIRI) диапазонах. С помощью NIRCam телескоп смог проникнуть сквозь большую часть пыли и пристально взглянуть на молодые звезды внутри космической структуры. Принцип исследования с использованием MIRI несколько отличался, ведь инструмент позволял сенсорам JWST наблюдать непосредственно плотные облака газа и пыли и исследовать более холодное вещество, из которого состоят Столпы Творения. Это дало ученым представление о молекулярном составе столпов и позволило подмечать, где именно этот материал оставался достаточно холодным для того, чтобы сформировать новые звезды.

Результат этого исследования был действительно потрясающим. На снимках Столпов Творения астрономы увидели не только формы, знакомые нам по предыдущим фото телескопа Hubble, но и множество ярко-красных точек — это были новорожденные звезды. Скрытые от глаз астрономов ранее плотным слоем пыли и газа, теперь они сияли, словно драгоценные камни. Разумеется, самое большое преимущество сокровища заключалось не в съемке звезд как таковых, а в том, что каждая из них потенциально могла раскрыть в деталях, как происходит процесс звездообразования.

Изучение Столпов Творения дало представление, каким образом формируются протозвезды из плотных газопылевых облаков. Впервые было получено наглядное визуальное подтверждение того, что основные процессы звездообразования происходят именно внутри этих гигантских пылевых башен. JWST также четко зафиксировал тонкие игольчатые структуры (диффузное красное свечение), исходящие из некоторых столпов. Наблюдения подтвердили гипотезу об активных выбросах вещества, или джетах, от звезд, пребывающих на начальном этапе звездообразования. 

Снимок MIRI засвидетельствовал, что наиболее плотная пыль скопилась именно у верхушек столпов, что косвенно подтверждало гипотезу о разрушительном воздействии массивных, уже сформировавшихся звезд, расположенных за кадром. Их мощное ультрафиолетовое излучение и звездные ветры постепенно эродируют и испаряют пылевые столпы. JWST зафиксировал процесс, известный как фотоэвапорация, когда новорожденные звезды разрушают собственный «строительный материал», чтобы завершить процесс своего рождения.

Взвешенная работа с инфракрасным светом из глубокого космоса позволила команде James Webb обнаружить потоки энергии и материи, поступающие от молодых звезд, формируя Столпы Творения. Это открытие дополнило и расширило знания, полученные от обсерватории Hubble, демонстрируя, как два телескопа, работающие в разных спектрах (ИК и видимом оптическом), могут вместе создавать более полную картину Вселенной.

Древнейшая черная дыра Вселенной

В декабре 2022 года команда, обрабатывающая данные, предоставленные JWST, объявила об обнаружении древнейшей из известных на сегодняшний день черной дыры, до сих пор активно поглощающей материю. По предположениям ученых, этот космологический объект существовал всего через 430-570 млн лет после Большого взрыва. Черная дыра образовалась в центре галактики GN-z11, свет от которой добирался к нашему Млечному Пути около 13,4 млрд лет.Галактика GN-z11 была открыта еще в 2016 году с помощью анализа данных с космических обсерваторий Hubble и Spitzer, а также наземного телескопа Subaru. Однако в декабре 2022 года, пользуясь своими инструментами NIRSpec и NIRCam, телескоп James Webb зафиксировал сильные и широкие эмиссионные линии ионизированного газа (преимущественно Не-II и N-V), что указывало на очень высокие скорости движения газа в аккреционном диске вокруг черной дыры. Полученные данные были прямым доказательством того, что объект динамично и очень быстро поглощает окружающую материю, излучая при этом огромное количество энергии. Это могло свидетельствовать лишь об одном — в центре GN-z11 имеется сверхмассивная черная дыра. 

Находка была идентифицирована как активное галактическое ядро (AGN), питаемое сверхмассивной черной дырой. Область свечения, непосредственно вызванная поглощением материи черной дырой, получила обозначение GN-z11-ID. Дальнейшие исследования показали, что эта черная дыра была значительно массивнее, чем предполагали существующие космологические модели: ее массу оценили примерно в 2 млн солнечных.

Хотя это не оказалось самой большой массой за все существование Вселенной, однако такой показатель был слишком большим для черной дыры, возникшей в столь ранние времена. Поэтому сразу после подтверждения возраста и массы GN-z11-ID, черная дыра сформировала вокруг себя научный парадокс. Согласно традиционным теориям, чтобы достичь такой массы менее чем за 600 млн лет, черная дыра должна была бы расти невероятно быстро. Главная же проблема в том, что подобная скорость роста значительно превышает теоретический Эддингтоновский лимит (максимальную скорость поглощения материи, при которой давление излучения не отталкивает газ).

Открытие потребовало реального переосмысления моделей формирования «семенных» черных дыр, которые служат исходной точкой для сверхмассивных объектов. Традиционная модель «Легкого семени» предполагает, что первые черные дыры образуются из коллапса первых массивных звезд (так называемые звезды Популяции III), имея массу около 10−100 солнечных. Чтобы достичь 2 млн масс Солнца столь быстро, им потребовались бы идеальные условия для непрерывного роста с надэддингтоновской скоростью.Другая модель, получившая название «Тяжелые семена», усиливала теорию о прямом коллапсе черных дыр. Модель предполагала, что огромные первичные облака газа (весом ≈10⁵ солнечных масс) могли коллапсировать непосредственно в черную дыру, минуя стадию звезды. Теоретически, такое предположение могло дать ранним черным дырам мощный старт, необходимый для достижения настолько гигантской массы, как у GN-z11.

Итак, сверхмассивная черная дыра в галактике GN-z11, открытая с помощью JWST, стала первой «потерянной цепью» между теориями раннего формирования и реальными наблюдениями, доказывая, что крупнейшие черные дыры ранней Вселенной формировались посредством необычных скоростных механизмов. В этой истории можно разве что сочувствовать самой галактике GN-z11, которая так недолго носила статус рекордсмена среди наиболее удаленных от нас галактик.

И все прояснилось: открытие JADES-GS-z14-0

На границе 2023-2024 годов James Webb вновь побил собственный рекорд, обнаружив еще более отдаленную галактику — JADES-GS-z14-0. Предварительный анализ красного смещения показал, что эта галактика существовала спустя всего 290 млн лет после Большого взрыва. Это наблюдение сразу сделало ее самым старым и самым удаленным от нас объектом из когда-либо наблюдаемых астрономами. Существование полноценной галактики в столь молодой Вселенной дало существенный толчок теориям о том, насколько быстро могут формироваться подобные космологические объекты.

James Webb неслучайно всматривался именно в эту область звездного неба. Открытие JADES-GS-z14-0 состоялось в рамках миссии JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) — глубокого исследования ранних галактик в регионах неба, которые ранее уже были сфотографированы телескопом Hubble и определены как потенциальные зоны интереса для дальнейших исследований. 

Красное смещение (z) галактики JADES-GS-z14-0 в размере ≈14,32 позже подтвердилось стереоскопически с помощью инструмента NIRSpec. Спектр подробно показал разрыв Лаймана и четкие эмиссионные линии водорода и кислорода, что позволило достаточно точно определить расстояние до галактики. Астрономы увидели часть Вселенной тогда, когда она просуществовала лишь 2% времени от своего текущего возраста.

Один из основных парадоксов, связанных с новой галактикой, заключался не только в ее рекордной удаленности, но и в необычайной светимости и размерах. На снимках NIRCam она выглядит не точечной, а вытянутой, что позволило оценить ее приблизительный диаметр в 1600 световых лет. JADES-GS-z14-0 явно свидетельствовала о том, что даже после 290 млн лет, минувших от Большого взрыва, внутри галактики уже успело сформироваться значительное количество звезд, что предполагало чрезвычайно высокие темпы формирования.

Спектральный анализ также подтвердил наличие четкой эмиссионной линии ионизированного кислорода (ОIII). Эта находка свидетельствовала, что за время существования галактики в ней уже состоялось несколько циклов звездообразования и смерти звезд, ведь ионизированный кислород продуцируется только внутри первых массивных звезд и попадает в межзвездное пространство, когда эти звезды взрываются как сверхновые в конце своего жизненного цикла. Вероятно, JADES-GS-z14-0 была молодой звездообразующей галактикой, и не имела активного галактического ядра со сверхмассивной черной дырой, которое наблюдалось в GN-z11. Большинство яркого излучения галактики классифицировано как исходящее от молодых и горячих звезд.

В современной астрономии JADES-GS-z14-0 является уникальной галактикой. Подтверждение ее существования в том виде, какой мы ее видим в возрасте 290 млн лет после Большого взрыва, свидетельствует, что галактика существовала еще во времена эпохи Реионизации — периода, когда Вселенная перешла из нейтрального (или тусклого) состояния в ионизированное (или прозрачное). И именно свет, поступающий от таких ярких ранних галактик, как JADES-GS-z14-0, мог быть главным источником энергии, пронизывая пространство и вызывая это фундаментальное изменение.

Строительные блоки жизни вокруг молодых звезд

Последнее значимое открытие JWST произошло совсем недавно. В марте 2025 года команда JWST объявила об обнаружении сложных органических молекул и водяного пара в протопланетном диске d216-0939, который вращался вокруг молодой звезды типа T Тельца на окраине скопления туманности Ориона. По своей структуре эта звезда очень напоминает наше Солнце на раннем этапе его формирования. Это наблюдение впервые предоставило прямое доказательство того, что строительные блоки жизни могут быть широко распространены в молодых звездных системах.

Обнаруженные молекулы, наряду с метаном, метанолом и другими органическими соединениями, считаются ключевыми для формирования аминокислот и других более сложных молекул, являющихся основой биологической жизни. Космический телескоп James Webb смог увидеть тепловые следы этих молекул в холодной космической пыли. Во время спектроскопии с помощью NIRSpec и MIRI ученые точно идентифицировали уникальную сложную органическую молекулу — карбамат аммония (NH4+NH2COO−). Кроме сложной органики, в протопланетном диске также был обнаружен лед H2O (водяной пар), углекислый газ (CO2), монооксид углерода (CO) и цианат-ион (OCN−).

Мартовское открытие вокруг протопланетного диска d216-0939 имеет огромное значение для области астробиологии, поскольку косвенно подтверждает теорию о том, что необходимые химические компоненты для жизни не уникальны для нашей Солнечной системы. В перспективе это может означать, что, возможно, во Вселенной существует бесчисленное количество других звездных систем, где зарождается жизнь, похожая на земную.

Космический телескоп James Webb близится к четвертой своей годовщине, но уже подарил научному сообществу более 100 терабайт данных, около 200 000 фотографий и осуществил тысячи спектральных наблюдений. Сегодня на их основе в астрономическом сообществе выдвигаются очень смелые гипотезы, иногда вынуждающие нас взглянуть на устройство Вселенной под совершенно другим углом. Запланированный срок продолжительности космической миссии JWST должен составить 10 лет, но фактического запаса топлива у телескопа хватит, чтобы пребывать в активном статусе около 20 лет. Так что будем уповать на наиболее длительную активность James Webb, ожидая новых его потрясающих открытий, которые еще впереди.