Посмотреть инфракрасным взглядом

Команда новой космической обсерватории «Джеймс Уэбб», запуска которой ждали два десятилетия, опубликовала первый набор полученных ей научных данных и снимков и ученые всего мира считают, что это предвестник целой волны новых открытий в области астрофизики и космологии. Разбираемся, что именно нам показали, и сравниваем снимки двух титанов среди космических телескопов — «Хаббла» и «Джеймса Уэбба».

Открылась бездна

Вечером 11 июля президент США Джо Байден и глава NASA Билл Нельсон представили первый научный снимок «Джеймса Уэбба», который был назван «самым глубоким изображением Вселенной». В самом деле, лишь несколько ярких объектов на снимке являются звездами Млечного Пути, которые выдают себя дифракционными лучами. Все остальное — сотни и тысячи далеких галактик, некоторые из которых существовали в первый миллиард лет после Большого Взрыва.

Целью наблюдений «Джеймса Уэбба» стал участок неба, в центре которого находится массивное скопление галактик

. Свет от скопления был испущен им, когда Солнечная система только сформировалась — 4,6 миллиарда лет назад. Для астрономов это скопление интересно, потому что гравитация скопления действует как телескоп. Видимые вокруг скопления яркие дуги представляют собой искаженные и усиленные по яркости изображения галактик, находящихся за скоплением, а видим мы их благодаря эффекту гравитационного линзирования, предсказанному Общей теорией относительности. Когда свет от галактики на пути к земному наблюдателю проходит вблизи скопления, то гравитация последнего искривляет траектории фотонов.

Почему изображение «Джеймса Уэбба» выглядит красочнее, чем у «Хаббла»? Для начала вспомним про космологическое красное смещение (z) — линии в спектрах далеких галактик смещаются в длинноволновую область спектра по сравнению с такими же линиями в спектрах неподвижных для нас (например лабораторных) источников излучения. Связано это с расширением Вселенной. Измеряя точное значение z для далекого объекта, можно оценить, когда свет от него был испущен, а заодно — и 

до него на этот момент. Получается, что очень далекую галактику будет практически невозможно увидеть в оптическом диапазоне — ее излучение будет смещено в инфракрасный диапазон.

«Хаббл» ведет наблюдения, в основном, в оптическом диапазоне, захватывая лишь части ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов спектра. «Джеймс Уэбб» захватывает лишь самый длинноволновой край оптического диапазона, и видит в основном в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах, где становятся видны очень далекие галактики, а также газовые облака и области звездообразования в более близких галактиках, формирующие их видимый «скелет». Добавим к этому большую собирающую площадь главного зеркала «Джеймса Уэбба» по сравнению с «Хабблом», и получим, что снимок новой обсерватории становится очень насыщенным разными объектами.

Действительно ли это ультраглубокое изображение Вселенной? Да, но с несколькими оговорками. Это самое глубокое и четкое инфракрасное изображение участка неба на сегодняшний день. Суммарное время экспозиции для данного снимка — 12,5 часов, было использовано 4 фильтра. Когда в NASA говорят о том, что «Джеймс Уэбб» превзошел «Хаббл», который затратил на съемку глубокого поля

недели, то это означает, что детализация в инфракрасном диапазоне у «Джеймса Уэбба» лучше, чем в случае глубоких полей «Хаббла». В случае же SMACS 0723, скопление наблюдалось «Хабблом» по разным программам несколько раз в период с 2008 по 2017 год, и общее время наблюдения составляло не недели, а почти сутки. Если же говорить о самом глубоком взгляде во Вселенную за всю историю наблюдений, то это реликтовое излучение, наблюдавшееся аппаратами COBE, WMAP и «Планк».

Помимо самого снимка были опубликованы спектры, полученные для некоторых самых тусклых галактик, найденных на нем. Свет от них шел до Земли от 11,3 до 13,1 миллиарда лет. Идентифицируя в них линии кислорода, мы можем сказать, что нашли атомы кислорода, существовавшие в те далекие времена, и они излучают так же, как и в Местной Вселенной, что показывает единство законов физики. А еще ученые выяснили, что видимые по краям скопления две яркие дуги, представляют собой изображения одной и той же линзируемой галактики, свет от которой шел до Земли 9,3 миллиарда лет. Дальнейший анализ спектров позволит оценить свойства газа в галактиках и свойства самих галактик и проверить модели их формирования и эволюции.

Галактический ансамбль

Квинтет Стефана был первой известной компактной группой галактик, открытой в 1877 году. На самом деле саму группу образуют лишь четыре галактики (NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B и NGC 7319), расположенные на расстоянии около 290 миллионов световых лет от Солнца в созвездии Пегаса, а пятая галактика (NGC 7320) находится на расстоянии 40 миллионов световых лет от Солнца и только проецируется на группу для земного наблюдателя. Подобные компактные группы важны для астрономов, изучающих гравитационные взаимодействия и слияния галактик.

Данные наблюдений «Джеймса Уэбба» позволяют различить скопления молодых звезд и области звездообразования в галактиках, хвосты из газа, пыли и звезд, возникающие из-за взаимодействия галактик, а также огромную ударную волну, порождаемую галактикой NGC 7318B. Помимо них заметны и очень далекие фоновые галактики.

Звездная колыбель

Одним из важнейших вопросов в астрофизике является понимание механизмов формирования звезд, и области звездообразования, связанные с огромными газопылевыми облаками, представляют отличные цели для подобного рода исследований. В качестве первой цели для «Джеймса Уэбба» среди областей звездообразования был выбран участок туманности Киля, расположенной в 7,6 тысячи световых лет от Солнца и содержащей несколько рассеянных скоплений.

На снимках видны «Космические скалы» — так ученые прозвали кромку газопылевого облака, где в плотных глобулах формируются новые звезды. За форму самого облака отвечает звездный ветер от массивных звезд, расположенных в верхней части кадров. Изучая подобные изображения можно отыскать пылевые диски вокруг звезд, где могут формироваться планеты, а также проследить жизнь молодых звезд на самых ранних этапах их жизни, которые могут занимать от 50 до 100 тысяч лет — по меркам звезд это мгновение.

Звездный труп

Туманность NGC 3132 или «Южное кольцо» представляет собой типичную планетарную туманность, в которую в финале своей жизни превратится и наше Солнце. Однако в ее центре находится не только белый карлик, бывший некогда ядром звезды, но и еще живая звезда-компаньон, которая в будущем тоже породит планетарную туманность. Ультрафиолетовое излучение от белого карлика заставляет светиться сброшенные внешние газовые оболочки погибшей звезды. Диаметр туманности составляет почти половину светового года, а расположена туманность примерно в 2,5 тысячах световых лет от Солнца.

Данные наблюдений «Джеймса Уэбба» позволили увидеть в полной мере сложную структуру туманности из нескольких оболочек. Каждая из оболочек соответствует эпизоду потери массы умиравшей звездой, при этом ее компаньон, окруженный пылевым облаком, своим движением вокруг общего центра масс двойной системы влиял на структуру туманности. Создав в дальнейшем трехмерную модель туманности, ученые могут понять, как именно она сформировалась.

Атмосфера экзопланеты

Помимо снимков космоса были опубликованы первые результаты спектрометрии атмосферы экзопланеты. В качестве первой цели был выбран открытый в 2013 году горячий сатурн WASP-96b, который совершает один оборот вокруг своей звезды за 3,5 земных дня, легче Юпитера в два раза, однако больше него по диаметру в 1,2 раза. Находится этот экзогигант в 1150 световых годах от Солнца в созвездии Феникса. Сочетание размеров экзопланеты, короткого орбитального периода и отсутствия светового загрязнения от близлежащих объектов, сделало WASP-96 b идеальной целью для первых наблюдений.

«Джеймс Уэбб» вел наблюдения за WASP-96b в диапазоне волн от 0,6 до 2,8 микрометра, используя метод трансмиссионной спектроскопии. Когда экзопланета оказывается между земным наблюдателем и звездой во время события транзита, часть излучения светила проходит сквозь атмосферу планеты и поглощается различными химическими элементами, что отражается в получаемых спектрах и позволяет определить примерный состав атмосферы.

Результаты наблюдений оказались неожиданными. До недавнего времени считалось, что WASP-96b обладает безоблачной атмосферой — по крайней мере, на это указывала форма спектрального профиля натрия, определенная по данным наблюдений наземных телескопов. Однако данные «Джеймса Уэбба» говорят о том, что облака и дымка в атмосфере все же есть, как и следы водяного пара.

И даже Солнечная система

В поле зрения «Джеймса Уэбба» попала и самая большая планета Солнечной системы во время первых наблюдений. Однако они носили не совсем научный характер — ученым было интересно, как прибор NIRCam будет отслеживать быстро движущиеся цели, и как датчик точного наведения будет отслеживать опорные звезды рядом с яркой планетой.

Результаты наблюдений порадовали ученых и совпали с данными предполетных моделирований, а мы можем увидеть Юпитер на двух разных длинах волн — 2,12 (фильтр F212N) и 3,23 микрометров (фильтр F323N). Рядом с Юпитером видны его спутники (Европа, Фива и Метида), кроме того заметны широтные пояса в атмосфере газового гиганта, знаменитый ураган Большое Красное Пятно и даже кольцо Юпитера.

Александр Войтюк