Старовинні галактики, пошук екзопланет і таємниці зореутворення: напередодні четвертої річниці телескопа James Webb

На Різдво, 25 грудня 2021 року, людство у Західній півкулі кілька миттєвостей мало нагоду спостерігати появу нової зорі. Ні, це була зовсім не Вифлеємська зірка — на вранішньому небі над полігоном Куру у Французькій Гвіані яскравим сяйвом зайнялися двигуни ракети Ariane 5. Так сходила зірка найсучаснішого потужного космічного телескопа планети — James Webb (JWST). Його подорож до точки Лагранжа (L₂) на відстань 1,5 млн км від Землі тривала близько місяця. Нарешті, 24 січня 2022 року, Webb розпочав налаштування своєї надчутливої апаратури, і вже того ж року влітку ми побачили перші повнокольорові зображення найвіддаленіших галактик та інших космологічних структур Всесвіту. 

Напередодні четвертої річниці космічної місії James Webb ми вирішили згадати її найбільш значущі для астрономії відкриття та вкотре насолодитися незбагненною красою зроблених нею позаземних світлин. 

Вікно у глибинний Всесвіт: публікація знімка SMACS 0723

Одразу після того як James Webb розпочав свою спостережну місію, багато поціновувачів астрономії буквально затамували подих в очікуванні. Аж ось 12 липня 2022 року NASA представило першу повнокольорову світлину, отриману за допомогою цього космічного телескопа. На знімку було скупчення галактик SMACS 0723, так зване перше глибоке поле Вебба. Астрономічне фото демонструвало тисячі галактик з глибинного космосу. Багато космологічних структур, зображених на знімку SMACS 0723, раніше або зовсім ніколи не були видимими, або були сфотографовані попередниками JWST у дуже поганій якості.

Головна унікальність скупчення галактик SMACS 0723 полягала в тому, що воно являло собою природну гравітаційну лінзу. Маса галактичного скупчення була настільки великою, що його гравітація викривляла сам простір. Ефект гравітаційного лінзування слугував своєрідною лупою, значно підсилюючи світло від дуже віддалених об’єктів позаду масивного скупчення. Саме завдяки цьому ефекту James Webb зміг побачити галактики, які існували всього лише через 600-800 млн років після Великого вибуху.

Знімок скупчення старовинних галактик SMACS 0723 було зроблено за допомогою камери ближнього інфрачервоного діапазону (NIRCam) телескопа. James Webb отримував ці зображення на різних довжинах хвиль, переважно в інфрачервоному діапазоні. Упродовж 12,5 годин телескоп був сконцентрований в одну точку космічного простору, фільмуючи окремі ділянки галактичних скупчень. Світло від галактик SMACS 0723 линуло до нас протягом 4,7 млрд років, перш ніж потрапити у об’єктив James Webb.

Перша світлина JWST продемонструвала, що галактики у ранньому Всесвіті були значно яскравішими та більш структурованими, ніж уважалося раніше. До того ж галактики вже тоді мали спіральні та еліптичні форми, що свідчить про доволі швидкий процес їхнього формування. Забігаючи наперед, відмітимо, що знання про справжню швидкість формування галактик іще здивує команду JWST у подальші роки досліджень, але саме знімок SMACS 0723 першим змусив астрономів переглянути теорії еволюції галактик. Припущення, що зореутворення на ранніх етапах еволюції Всесвіту відбувалося набагато інтенсивніше, почали наочно підтверджуватися даними спостережень. 

Один із перших знімків James Webb одразу перетворився на науковий прорив, який моментально переніс нас у часі на мільярди років назад. Вперше була продемонстрована неперевершена здатність телескопа бачити найдрібніші деталі крізь космічний пил. Зображення SMACS 0723 стало по-справжньому тріумфальним початком місії, яка незабаром уже буквально фонтанувала новими відкриттями.

Таємниця екзопланет та пошук біосигнатур

Близько 60% спостережень JWST — це не знімки у звичному для нас сенсі, а спектрографічні дослідження. Саме ця методологія використовується для пошуку органіки в протопланетних дисках, вимірювання червоного зміщення найдальших галактик тощо. Серед перших спектрів, отриманих James Webb 12 липня, була спектрограма екзопланети WASP-96b, розташованої приблизно за 1150 світлових років від Землі. 

Планета належить до класу гарячих юпітерів та обертається навколо сонцеподібної зорі класу G WASP-96b кожні 3,4 доби. Її масу вдалося виміряти відносно точно — вона становить 0,48 маси Юпітера. Попередні оцінки вказували, що ця планета непридатна для життя й колонізації, однак дослідники нею зацікавилися. Наукова команда JWST вирішила детально її обстежити за допомогою ближнього інфрачервоного тепловізора та безщілинного спектрографа (NIRISS) — це один із чотирьох основних дослідницьких інструментів телескопа. Це дозволило отримати криву блиску WASP-96b — графік підтвердження її транзиту (обертання) навколо своєї зорі.

Слід зауважити, що відкриття екзопланети WASP-96b не належить до заслуг James Webb. Це сталося за дев’ять років до того, як він розпочав свої дослідження, 2013 року, завдяки мережі роботизованих обсерваторій, які були частиною міжнародного проєкту Wide Angle Search for Planets (WASP). Утім, саме JWST надав найбільш вичерпну інформацію стосовно юпітероподібного світу, адже атмосфера планети була ідеальною мішенню для наукових інструментів космічного телескопа.

Використовуючи методологію транзитної спектроскопії (коли світло від зорі проходить крізь атмосферу планети під час її транзиту), JWST зміг “розділити” це світло на компоненти. У результаті було отримано найдетальніший в історії астрономічних спостережень спектр атмосфери екзопланети. Серед іншого, вперше в атмосфері планети за межами нашої Сонячної системи було зафіксовано наявність водяної пари.

 Спектрографічне дослідження не лише показало наявність водяної пари, але й зібрало відносно точні відомості стосовно її кількості. Спектр також вирізнив ознаки хмар і туману, які раніше неможливо було спостерігати. Виявлення вмісту водяної пари в атмосфері екзопланети WASP-96b було революційним ще й тому, що саме воно наочно довело — у James Webb є справді робочі інструменти, здатні точно встановити хімічний склад атмосфер далеких світів. Відкриття дало надію, що в майбутньому ми зможемо знайти атмосферу, багату на кисень, метан або інші гази, що свідчать про біологічну активність (наявність біосигнатур). Відтоді, окрім спостережень за віддаленими галактиками, зорями та туманностями, JWST доволі часто зосереджується на пошуку ознак життя на інших кандидатах в екзопланети. 

Станом на 2025 рік NASA повідомило, що космічний телескоп уже проаналізував хімічний склад понад 100 атмосфер найбільш перспективних з 6000 відкритих екзопланет. Наразі космічний телескоп успішно визначив водяну пару, метан, вуглекислий газ і монооксид вуглецю в атмосферах десятків екзопланет. Однак процес остаточного підтвердження їхніх біосигнатур триватиме набагато довше, оскільки передусім це вимагає не лише виявлення самих життєтворчих молекул, але й усунення всіх можливих варіантів небіологічних джерел їхнього походження. 

Одним із найперспективніших кандидатів, які досліджував Webb, стала екзопланета K2-18b. У вересні 2023 року телескоп визначив у її атмосфері наявність метану та вуглекислого газу. Найбільше інтригувало можливе виявлення молекули диметилсульфіду (DMS), яка на Землі майже без виключень виробляється біологічними структурами (фітопланктоном). Утім, поки що точно не зафіксовано ознаки DMS на K2-18b. 

Наразі космічний телескоп продовжує пошук потенційного кандидата на населений світ, який може мати органічне життя. Чутливість інструментів James Webb вражає, адже вони дозволяють виявляти навіть слідові кількості складних молекул. Дослідження біосигнатур на K2-18b, яке розпочалося у вересні 2023 року, може стати важливим кроком на шляху до вирішення однієї з найважливіших загадок людства: чи самотні ми у Всесвіті?

Новий погляд на Стовпи Творіння

У жовтні 2022 року JWST втупив свої інфрачервоні очі в одну з найвідоміших космічних структур нашого Всесвіту — Стовпи Творіння. Космологічна структура являє собою величезні колони з міжзоряного газу й пилу, розташовані у великій туманності Орла на відстані ≈6500–7000 світлових років від Землі. Стовпи Творіння є колискою зореутворення, адже всередині цих величезних дуже щільних хмар газу (переважно молекулярного водню) й пилу формуються протозорі.

 Вперше фото цих величних газопилових стовпів у туманності Орла зробив телескоп Hubble — 1 квітня 1995 року. Відтоді воно стало справжньою іконою сучасної астрономії. Але Hubble працював лише у видимому діапазоні, відтак не мав змоги зазнімкувати космологічну структуру детально через товсті шари космічного пилу. І тільки знімки JWST, зроблені в інфрачервоному діапазоні, дозволили астрономам нарешті побачити всередині Стовпів Творіння тисячі новонароджених зір.

Для їхнього дослідження стали у пригоді дві основні камери, що працюють у ближньому інфрачервоному (NIRCam) та у середньому інфрачервоному (MIRI) діапазонах. За допомогою NIRCam телескоп зміг проникнути крізь більшу частину пилу й уважно розглянути молоді зорі всередині космічної структури. Принцип дослідження з використанням MIRI дещо відрізнявся, адже інструмент давав змогу сенсорам JWST спостерігати безпосередньо щільні хмари газу та пилу і досліджувати більш холодну речовину, з якої складаються Стовпи Творіння. Це надало вченим уявлення про молекулярний склад стовпів і дозволяло помічати, де саме цей матеріал залишався достатньо холодним для того, щоб сформувати нові зорі.

Результат цього дослідження був справді приголомшливим. На знімках Стовпів Творіння астрономи побачили не лише форми, знайомі нам з попередніх фото телескопа Hubble, але й безліч яскраво-червоних цяток — це були новонароджені зорі. Приховані від очей астрономів раніше за щільним шаром пилу й газу, відтепер вони сяяли, немов коштовне каміння. Звісно, найбільша перевага скарбу полягала не у фільмуванні зір як таких, а в тому, що кожна з них потенційно могла розкрити в деталях, як відбувається процес зореутворення.

Вивчення Стовпів Творіння дало уявлення, яким чином формуються протозорі зі щільних газопилових хмар. Вперше було отримане наочне візуальне підтвердження того, що основні процеси зореутворення відбуваються саме всередині цих велетенських пилових веж. JWST також чітко зафіксував тонкі голкоподібні структури (дифузне червоне світіння), що виходили із деяких стовпів. Спостереження підтвердило гіпотезу про активні викиди речовини, або джетів, від зір, які перебувають на початковому етапі зореутворення. 

Знімок MIRI засвідчив, що найбільш щільний пил накопичився саме біля верхівок стовпів, що дотично підтверджувало гіпотезу про руйнівний вплив масивних, уже сформованих зір, розташованих поза кадром. Їхнє потужне ультрафіолетове випромінювання та зоряні вітри поступово еродують і випаровують пилові стовпи. JWST зафіксував процес, відомий як фотоевапорація, коли новонароджені зорі руйнують власний “будівельний матеріал”, щоб завершити процес свого народження.

 Зважена робота з інфрачервоним світлом з глибокого космосу дозволила команді James Webb виявити потоки енергії і матерії, що надходять від молодих зір, формуючи Стовпи творіння. Це відкриття доповнило й розширило знання, отримані від обсерваторії Hubble, демонструючи, як два телескопи, що працюють у різних спектрах (ІЧ та видимому оптичному), можуть разом створювати більш повну картину Всесвіту. 

Найдавніша чорна діра Всесвіту

У грудні 2022 року команда, яка обробляє дані, надані JWST, оголосила про виявлення найдавнішої з відомих на сьогодні чорних дір, яка дотепер активно поглинає матерію. За припущеннями вчених, цей космологічний об’єкт існував всього за 430-570 млн років після Великого вибуху. Чорна діра утворилася в центрі галактики GN-z11, світло від якої прямувало до нашого Чумацького Шляху близько 13,4 млрд років. 

Галактика GN-z11 була відкрита ще у 2016 році за допомогою аналізу даних з космічних обсерваторій Hubble та Spitzer, а також наземного телескопа Subaru. Проте у грудні 2022 року, користуючись своїми інструментами NIRSpec і NIRCam, телескоп James Webb зафіксував сильні та широкі емісійні лінії іонізованого газу (переважно Не-II і N-V), що вказувало на дуже високі швидкості руху газу в акреційному диску навколо чорної діри. Отримані дані були прямим доказом того, що об’єкт завзято і вельми швидко поглинає навколишню матерію, випромінюючи при цьому величезну кількість енергії. Це могло свідчити лише про одне — у центрі GN-z11 є надмасивна чорна діра. 

Знахідка була ідентифікована як активне галактичне ядро (AGN), що живиться надмасивною чорною дірою. Ділянка світіння, безпосередньо спричинена поглинанням матерії чорною дірою, отримала позначення GN-z11-ID. Подальші дослідження показали, що ця чорна діра була значно масивнішою, ніж передбачали наявні космологічні моделі: її масу оцінили у приблизно 2 млн сонячних. 

Хоча це не виявилося найбільшою масою за все існування Всесвіту, однак такий показник був надто великим для чорної діри, що виникла у настільки ранні часи. Відтак одразу після підтвердження віку та маси GN-z11-ID, чорна діра сформувала навколо себе науковий парадокс. За традиційними теоріями, щоб досягти такої маси менш ніж за 600 млн років, чорна діра мала б зростати неймовірно швидко. Головна ж проблема у тому, що подібна швидкість зростання значно перевищує теоретичний Еддінгтонівський ліміт (максимальну швидкість поглинання матерії, за якої тиск випромінювання не відштовхує газ).

Відкриття вимагало реального переосмислення моделей формування “насіннєвих” чорних дір, які є вихідною точкою для надмасивних об’єктів. Традиційна модель “Легкого насіння” передбачає, що перші чорні діри утворюються з колапсу перших масивних зір (так звані зорі Популяції III), маючи масу близько 10−100 сонячних. Щоб досягти 2 млн мас Сонця так швидко, їм потрібні були б ідеальні умови для безперервного росту з надеддінгтонівською швидкістю. 

Інша модель, яка отримала назву “Важке насіння”, підсилювала теорію про прямий колапс чорних дір. Модель передбачала, що величезні первинні хмари газу (вагою ≈10⁵ сонячних мас) могли колапсувати безпосередньо в чорну діру, оминаючи стадію зорі. Теоретично, таке припущення могло надати раннім чорним дірам потужний старт, необхідний для досягнення настільки велетенської маси, як у GN-z11. 

 Отже, надмасивна чорна діра в галактиці GN-z11, відкрита за допомогою JWST, стала першим “загубленим ланцюгом” між теоріями раннього формування та реальними спостереженнями, доводячи, що найбільші чорні діри раннього Всесвіту формувалися через незвичайні швидкісні механізми. В цій історії можна хіба що співчувати самій галактиці GN-z11, яка так недовго носила статус рекордсмена серед найбільш віддалених від нас галактик.

І все освітилося: відкриття JADES-GS-z14-0

На межі 2023-2024 років James Webb знову побив власний рекорд, виявивши ще більш віддалену галактику — JADES-GS-z14-0. Попередній аналіз червоного зміщення показав, що ця галактика існувала лише за 290 млн років після Великого вибуху. Це спостереження одразу зробило її найстарішим та найбільш віддаленим від нас об’єктом з тих, що коли-небудь спостерігали астрономи. Існування повноцінної галактики в такому молодому Всесвіті дало суттєвий поштовх теоріям про те, наскільки швидко можуть формуватися подібні космологічні об’єкти.

James Webb невипадково вдивлявся саме в цю ділянку зоряного неба. Відкриття JADES-GS-z14-0 відбулося в межах місії JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) — глибокого дослідження ранніх галактик у регіонах неба, які раніше вже були сфотографовані телескопом Hubble та визначені як потенційні зони інтересу для подальших досліджень. 

Червоне зміщення (z) галактики JADES-GS-z14-0 пізніше підтвердилося стереоскопічно за допомогою інструмента NIRSpec. Спектр докладно показав розрив Лаймана та чіткі емісійні лінії водню й кисню, що дозволило досить точно визначити відстань до галактики. Астрономи побачили частину Всесвіту тоді, коли він проіснував лише 2% часу від свого поточного віку. 

Один із основних парадоксів, пов’язаних з новою галактикою, крився не тільки в її рекордній віддаленості, але й у надзвичайній світності і розмірах. На знімках NIRCam вона на вигляд не точкова, а витягнута, що дозволило оцінити її приблизний діаметр у 1600 світлових років. JADES-GS-z14-0 явно свідчила про те, що навіть після 290 млн років, що минули від Великого вибуху, всередині галактики вже встигла сформуватися значна кількість зір, що передбачало надзвичайно високі темпи формування. 

Спектральний аналіз також підтвердив наявність чіткої емісійної лінії іонізованого кисню (ОIII). Ця знахідка свідчила, що за час існування галактики в ній уже відбулося декілька циклів зореутворення та смерті зір, адже іонізований кисень продукується лише всередині перших масивних зір і потрапляє у міжзоряний простір, коли ці зорі вибухають як наднові наприкінці свого життєвого циклу. Видається, що JADES-GS-z14-0 була молодою зореутворювальною галактикою й не мала активного галактичного ядра із надмасивною чорною дірою, яке спостерігалося у GN-z11. Більшість яскравого випромінювання галактики класифіковане як таке, що походить від молодих та гарячих зір.

У сучасній астрономії JADES-GS-z14-0 є унікальною галактикою. Підтвердження її існування в такому вигляді, якою ми її бачимо у віці 290 млн років після Великого вибуху, свідчить, що галактика існувала ще за часів епохи Реіонізації — періоду, коли Всесвіт перейшов із нейтрального (або тьмяного) стану в іонізований (або прозорий). І саме світло, що надходило від таких яскравих ранніх галактик, як JADES-GS-z14-0, могло бути головним джерелом енергії, пронизуючи простір і спричинивши цю фундаментальну зміну. 

Будівельні блоки життя довкола молодих зір 

Останнє значуще відкриття JWST відбулося зовсім нещодавно. У березні 2025 року команда JWST оголосила про виявлення складних органічних молекул і водяної пари у протопланетному диску d216-0939, який обертався навколо молодої зорі типу T Тельця на околиці скупчення туманності Оріона. За своєю структурою ця зоря дуже нагадує наше Сонце на ранньому етапі його формування. Це спостереження вперше надало прямий доказ того, що будівельні блоки життя можуть бути широко поширені в молодих зоряних системах.

Виявлені молекули, разом з метаном, метанолом та іншими органічними сполуками, вважаються ключовими для формування амінокислот та інших більш складних молекул, що є основою біологічного життя. Космічний телескоп James Webb зміг побачити теплові сліди цих молекул у холодному космічному пилу. Під час спектроскопії за допомогою NIRSpec і MIRI вчені точно ідентифікували унікальну складну органічну молекулу — карбамат амонію (NH4+NH2COO−). Крім складної органіки, у протопланетному диску також було виявлено лід H2O (водяну пару), вуглекислий газ (CO2), монооксид вуглецю (CO) та ціанат-іон (OCN−).

Березневе відкриття довкола протопланетного диска d216-0939 має величезне значення для галузі астробіології, оскільки дотично підтверджує теорію про те, що необхідні хімічні компоненти для життя не є унікальними для нашої Сонячної системи. В перспективі це може означати, що, можливо, у Всесвіті існує незліченна кількість інших зоряних систем, де зароджується життя, схоже на земне.

Космічний телескоп James Webb наближається до четвертої своєї річниці, але вже подарував науковій спільноті понад 100 терабайтів даних, близько 200 000 фото та здійснив тисячі спектральних спостережень. Сьогодні на їхній основі в астрономічному співтоваристві висуваються дуже сміливі гіпотези, які інколи змушують нас поглянути на будову Всесвіту під зовсім іншим кутом. Запланований термін тривалості космічної місії JWST має скласти 10 років, але фактичного запасу палива у телескопа вистачить, щоб перебувати в активному статусі близько 20 років. Будемо сподіватися на найбільш довготривалу активність James Webb, очікуючи на нові його приголомшливі відкриття, що ще чекають попереду.