Головні відкриття James Webb: галактики на межі Всесвіту, невдалі зорі та метан на екзопланетах

25 грудня 2021 року вчені з усього світу із завмиранням серця стежили за трансляцією пуску Ariane 5 із Французької Гвіани. Така підвищена увага пояснювалася просто: на борту ракета несла космічний телескоп James Webb (James Webb Space Telescope, JWST), побудова якого тривала майже два десятиліття і коштувала $10 млрд.

Відтоді минуло вже два роки. James Webb успішно вийшов на орбіту, здійснив переліт на робочу позицію в околицях точки Лагранжа L₂, після чого розпочав виконання своєї наукової програми. Так що вже вдалося виявити телескопу за цей час? Давайте розбиратися.

Зазирнути на край Всесвіту

Ключове завдання James Webb полягає у вивченні перших зір і галактик, що сформувалися незабаром після Великого вибуху. Річ у тім, що такі об’єкти перебувають на колосально величезних відстанях від Землі, і довжина хвилі світла, яке вони випускають, збільшилася настільки, що воно перетворилося на інфрачервоне випромінювання. Саме тому James Webb і заточений під спостереження в цьому діапазоні. Якоюсь мірою його можна порівняти з астрономічною машиною часу. Телескоп дає астрономам можливість побачити, який вигляд наш Всесвіт мав у “дитинстві”, і вивчити, якими об’єктами він тоді був заповнений.

James Webb уже зробив низку кроків у цьому напрямку. Зокрема, йому вдалося виявити цілу купу галактик, що утворилися лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Наразі рекорд утримує JADES-GS-z13-0, відкрита телескопом у вересні 2022 року. Результати вимірювання її червоного зміщення показали, що вона розташована на відстані 13,4 млрд світлових років від Землі. Однак через розширення Всесвіту реальна дистанція до галактики становить близько 33,6 млрд світлових років. Це означає, що ми бачимо її такою, якою вона була всього за 320 млн років після Великого вибуху.

Іншою цікавою знахідкою JWST стало найдавніше підтверджене на сьогодні скупчення з семи галактик. Вони існували всього за 650 млн років після Великого вибуху.

Телескоп зосередився і на вивченні Еарендель, найвіддаленішого відомого нам світила у Всесвіті. Випромінюваному ним світлу знадобилося 12,9 млрд років, аби досягти Землі. З урахуванням фактора розширення Всесвіту зараз Еарендель (а точніше, її залишки, адже зоря давно стала надновою) перебуває на відстані 28 млрд світлових років від нашої планети.

З огляду на настільки величезну дистанцію, у звичайній ситуації навіть потужності James Webb не вистачило б, щоб побачити це світило. На щастя для астрономів, на лінії між Еарендель і Землею розташоване масивне скупчення галактик. Його гравітація виконала роль гігантської лінзи, у 4000 разів посиливши світло далекої зорі.

Під час спостереження James Webb вдалося встановити, що Еарендель була зорею спектрального класу B. Її поверхня була вдвічі гарячішою за сонячну, водночас світність перевершувала світність Сонця в мільйон разів. Телескоп виявив навіть ознаки того, що вона мала компаньйона.

Учені сподіваються, що в майбутньому телескоп зуміє знайти й сліди так званих зір III населення. Йдеться про найперші світила у Всесвіті, які могли існувати лише в ті часи. Вважається, що за масою вони набагато перевершували наявні наразі наймасивніші зорі.

Не оминув James Webb своєю увагою і чорні діри. Його нинішній рекорд становить 570 млн років. Саме через стільки часу після Великого вибуху існувала найвіддаленіша активна чорна діра, знайдена телескопом. Попри настільки юний вік, своєю масою вона вже перевищувала Сонце в 9 млн разів. Для порівняння, маса чорної діри в центрі нашої галактики становить лише 4 млн сонячних.

Відкриття JWST знову підкинуло дрівець у вогонь дискусії з приводу того, як перші чорні діри примудрилися настільки швидко зрости до таких значних розмірів. Багато астрономів вважають, що вони утворилися не внаслідок загибелі зір з подальшим нарощуванням маси, а під час прямого гравітаційного колапсу масивних газових хмар, що існували в ранньому Всесвіті. Можливо, нові спостереження James Webb нададуть докази цієї гіпотези.

Зоряні ясла і туманності

Інфрачервоний зір James Webb оптимальний не тільки для пошуку далеких галактик, а й для вивчення ближчих об’єктів на нашому Чумацькому шляху, прихованих пиловими хмарами. Пил блокує видиме світло, однак пропускає інфрачервоне випромінювання. Саме тому James Webb виявився незамінним помічником у справі вивчення зоряних ясел — регіонів активного зореутворення, де просто зараз формуються нові світила і планети.

Так, під час спостережень зореутворювального регіону Персей космічному телескопу вдалося знайти найменші з усіх відомих астрономам зір, що не встигли з’явитися. А саме — кілька коричневих карликів, чиї маси лежать у діапазоні від трьох до восьми мас Юпітера. Дослідники вважають, що йдеться саме про об’єкти, що утворилися з газопилових хмар, а не про викинуті зі своїх систем екзопланети.

James Webb вельми активно використовується і для вивчення протопланетних дисків. За час своєї роботи телескоп зумів підтвердити давню гіпотезу щодо того, що крижані частинки відіграють ключову роль у процесі, який веде до утворення кам’янистих екзопланет.

Зокрема, йому вдалося вперше виявити і метил-катіон (CH₃+) у протопланетному диску навколо молодої зорі. Ця сполука відіграє ключову роль у формуванні складних органічних молекул.

А ще телескоп потішив любителів космосу безліччю вельми вражаючих портретів різних туманностей — від знаменитих Стовпів Творіння до залишку наднової Кассіопеї А. Ці зображення не просто настільки гарні, що їх можна розглядати як своєрідний витвір мистецтва, а й украй інформативні. Завдяки своїм технічним можливостям, під час кожної з цих зйомок James Webb вдавалося ідентифікувати структури, що раніше вислизали з поля зору астрономів. Це дозволило краще зрозуміти, як саме формувалися багато хто з перлин неба, та які процеси в них зараз відбуваються.

Екзопланети

Ще одним надзвичайно важливим напрямком діяльності James Webb є вивчення екзопланет. Досконалість його інструментів дає змогу астрономам аналізувати їхні атмосфери з точністю, недоступною іншим телескопам. І поки що космічна обсерваторія виправдовує покладені на неї очікування. За час своєї роботи вона вже зробила низку цікавих відкриттів.

Одним із них стало виявлення кам’яних дощів на “розпухлій” екзопланеті WASP-107b. Це газовий гігант, що обертається навколо помаранчевого карлика за 200 світлових років від Землі. За розмірами його можна порівняти з Юпітером, проте його маса становить лише 12% від юпітеріанської. Екзопланета має вельми протяжну атмосферу, що простягається в навколишній простір на десятки тисяч кілометрів.

James Webb вдалося вирізнити в атмосфері WASP-107b водяну пару, сірку і, що найцікавіше, силікатні частинки, з яких складаються її хмари. Як відомо, земні хмари формують крапельки води і кристалики водяного льоду. Але на WASP-107b, атмосфера якої розігріта до дуже високих температур, цю роль відіграють силікати. Їхні випари піднімаються вгору, конденсуються й утворюють піщані хмари, з яких вряди-годи випадають кам’яні дощі. Далі весь цикл повторюється знову.

Схоже відкриття було зроблене в процесі вивчення й іншого “роздутого” газового гіганта WASP-17b. У його атмосфері виявилися кристали кварцу.

Кам’яні хмари — далеко не єдине відкриття James Webb під час вивчення атмосфер екзопланет. Йому кілька разів вдавалося знайти в них метан. Ця сполука є одним із головних компонентів живої матерії, але раніше її досить рідко доводилося зустрічати на тілах за межами Сонячної системи. Звісно, поки що JWST переважно знаходить метан у атмосферах гарячих екзопланет, які навряд чи є населеними, проте астрономи мають уже й щонайменше одного більш придатного для життя кандидата (про нього — трохи нижче).

А іноді відсутність чого-небудь теж стає відкриттям. James Webb наразі задіяний і у вивченні знаменитої системи TRAPPIST-1. Вона складається з червоного карлика, навколо якого обертаються сім кам’яних екзопланет, причому орбіти трьох із них лежать у зоні населеності.

James Webb уже встиг дослідити дві внутрішні екзопланети. Спостереження засвідчили, що у першої практично немає атмосфери, а температура її поверхні становить 230 °C. Крім того, з’ясувалося, що альбедо екзопланети (відбивна здатність поверхні) майже ідеально відповідає абсолютно чорному тілу.

Щодо другого світу, то до спостережень James Webb дослідники вважали, що він схожий на Венеру і має щільну атмосферу, яка створює потужний парниковий ефект. Виявилося, що це не так. За даними обсерваторії, середня температура її денної сторони становить близько сотні градусів. Тож, найімовірніше, у цього світу атмосфера теж відсутня.

Здається, найцікавішим із досліджених JWST світів став K2-18 b, який обертається навколо червоного карлика за 120 світлових років від Землі, і чия орбіта пролягає в зоні населеності. Астрономи давно підозрювали, що його поверхню може вкривати глобальний океан.

Дані James Webb підтверджують це припущення. Крім великої кількості водяної пари, телескоп знайшов там метан, вуглекислий газ, і навіть ознаки можливої наявності диметилсульфіду. На Землі цю речовину в скільки б то не було помітних кількостях виробляють виключно живі організми. Заради справедливості зауважимо, в NASA поки що досить обережні та наголошують на тому, що дані щодо наявності диметилсульфіду потребують додаткового доведення.

Сонячна система

James Webb активно використовують і для вивчення нашої Сонячної системи. Зокрема, він уже зробив вельми ефектні інфрачервоні портрети всіх чотирьох планет-гігантів. Вони не тільки продемонстрували процеси, що відбуваються в їхніх атмосферах, а й показали складну структуру кілець, що оточують деякі з них.

Крім планет-гігантів, James Webb спостерігав і за їхніми супутниками. І його дані виявилися доволі цікавими. Наприклад, телескоп зумів сфотографувати гігантський гейзер, вироблений підповерхневим океаном Енцелада.

Супутник Європа, в надрах якого теж криється океан, також підніс сюрприз. James Webb вдалося зафіксувати вуглекислий газ, що виходить із нього. Це свідчить про можливу наявність в океані Європи вуглецевих сполук, що робить його потенційно придатним для життя.

Телескоп вивчав і дрібніші об’єкти, зокрема кентаври. Так називають тіла, чиї орбіти пролягають між орбітами Юпітера і Нептуна. За своїми характеристиками вони займають проміжне становище між астероїдами і кометами.

На одному з таких об’єктів під назвою 39P/Отерма James Webb виявив вуглекислий газ. Іншим кентавром, на який звернув свій погляд телескоп, став Харікло. JWST допоміг визначити розміри кілець, що оточують його, та їхню будову.

А деякі відкриття James Webb і зовсім зробив випадково. Так, під час калібрування своїх інструментів телескоп зумів побачити один із найменших відомих астрономам астероїдів Головного поясу.

* * *

На завершення нашого мініогляду варто сказати, що він охоплює лише основні відкриття James Webb, про які на даний момент оголошено публіці. Однак у реальності їх значно більше. Просто слід розуміти, що процес спостереження, аналізу даних та їхньої подальшої повторної перевірки з використанням інших телескопів зазвичай займає місяці, а в деяких випадках і роки. Тож можна сміливо припустити, що найцікавіші знахідки James Webb у нас іще попереду.