Zrod hviezdy či gravitačný tanec. Snímkami ďalekohľadu Jamesa Webba sa začala nová éra astronómie, vraví NASA

Ak by teraz zhaslo Slnko, dozvedeli by sme sa to o 8 minút a 20 sekúnd. Tak dlho v priemere trvá, kým svetlo z našej hviezdy dorazí až na Zem.

Na fotografii vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba zverejnenej v pondelok je aj svetlo staré viac ako 13 miliárd rokov. Pozeráme sa tak do čias počiatkov vesmíru starého 13,8 miliardy rokov.

Zverejnená snímka je dosiaľ „najostrejším infračerveným záberom hlbokého vesmíru“, píše NASA. Ide o prvý záber z ostrej prevádzky prelomového vesmírneho ďalekohľadu.

Hoci sú na fotografii tisíce galaxií, ide o oblasť, ktorú by ste zakryli zrnkom piesku v natiahnutej ruke.

Historický moment

Snímku odhalili počas brífingu v Bielom dome. „Tieto zábery pripomenú svetu, že Amerika dokáže veľké veci, a Američanom – najmä našim deťom – pripomenú, že nič nie je nad naše sily,“ poznamenal americký prezident Joe Biden.

Na sociálnej sieti Twitter Biden označil prvú fotografiu vesmírneho ďalekohľadu za „historický moment“ pre vedu, astronómiu, výskum vesmíru, Ameriku aj celé ľudstvo.

Tento utorok došlo k zverejneniu ďalších vedeckých snímok a (spektroskopických) údajov z vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba.

Vesmírne agentúry už dlhšie avizovali, že poskytnú také pohľady na vesmír, „ktoré nemajú obdobu“. „To, čo som videla, ma dojalo ako vedkyňu, inžinierku a aj ako človeka,“ zhodnotila pred pár dňami význam snímok Pamela Melroyová, zástupkyňa šéfa NASA.

Tento utorok NASA napísala, že „sa začala nová éra astronómie“. Astrofyzik Michal Zajaček povedal, že s tým do istej miery súhlasí. „Citlivosť ďalekohľadu je bezprecedentná. Také detaily sme doteraz nemohli skúmať, zvlášť v infračervenej oblasti spektra,“ povedal vedec z Ústavu teoretickej fyziky a astrofyziky Masarykovej univerzity v Brne.

Ďalekohľad Jamesa Webba takpovediac otvoril nové okno do vesmíru. „Teleskop sprístupňuje vlnové dĺžky, ktoré zo Zeme neboli úplne prístupné, hlavne stredná infračervená oblasť od 5 do 28 mikrometrov,“ konštatuje Michal Zajaček.

Pred 13,2 miliardy rokov

Na prvej zo snímok, ktorú zverejnili v pondelok v Bielom dome, je kopa galaxií označovaná ako SMACS 0723. Svetlo z nej k nám putovalo z obrovskej diaľky a na fotografii vidíme, ako vesmírny objekt vyzeral pred 4,6 miliardy rokov.

Predložená snímka je výsledkom časozberného záberu, ktorý trval 12,5 hodiny. Hubble by musel pozorovať oblohu celé týždne, aby dosiahol podobný výsledok, približuje BBC.

Obrovská hmota pozorovanej kopy galaxií funguje ako gravitačná šošovka a spôsobuje ohyb a zväčšenie svetla objektov za ňou. Ide o astronomický ekvivalent objektívu so zoomom.

Tieto útvary sú na fotografii pokrútené či natiahnuté a vznikli pred 13,2 miliardy rokov, teda 600 miliónov rokov po veľkom tresku.

„Svetlo sa pohybuje rýchlosťou 300-tisíc kilometrov za sekundu. A svetlo, ktoré vidno na jednej z malých škvŕn, k nám putovalo viac ako 13 miliárd rokov,“ priblížil Bill Nelson, šéf NASA.

Nelson dodal, že ďalším cieľom bude pozrieť sa až na obdobie pred 13,5 miliardy rokov. „Vraciate sa takmer na začiatok.“ Ďalekohľad Jamesa Webba tak bude skúmať úplne prvé hviezdy a galaxie, ktoré vznikli zhruba 250 miliónov rokov po veľkom tresku, keď sa vo vesmíre skončilo „obdobie temna“.

Infračervená oblasť spektra

Na porovnanie – Hubblov vesmírny ďalekohľad videl svetlo z hviezd a galaxií, ktoré vznikli „až“ 400 miliónov rokov po veľkom tresku. Tieto hviezdy a galaxie sa už stihli sformovať a obsahovali aj ťažšie prvky ako vodík a hélium.

Rozdiel 100 až 150 miliónov rokov medzi pozorovaním Hubbla a Webba sa nejaví ako veľký, ak vezmeme do úvahy, že vek vesmíru je 13,8 miliardy rokov. Astronómka Caitlin Caseyová z Texaskej univerzity v Austine však pre Vox tento rok povedala, že „je rozdiel medzi tým, že uvidíte úplne prvé vzniknuté hviezdy, a tým, že prídete s krížikom po funuse“.

Magazín The Atlantic napísal, že ďalekohľad Jamesa Webba má všetky predpoklady, aby vo výskume vzdialených galaxií spravil prelom. Zatiaľ čo fotografia Hubblovho hlbokého poľa z roku 1995 obsahuje len niekoľko tisíc galaxií, ďalekohľad Jamesa Webba by mal nájsť až milión z nich.

„S týmto ďalekohľadom naozaj nie je ťažké lámať rekordy,“ povedal o citlivosti nového vesmírneho teleskopu astrofyzik Thomas Zurbuchen z NASA.

Porovnanie citlivosti Hubbla a Webba. Zdroj – Twitter/Daniel Stach

Tady je posun v tom, co vidíme. Vlevo pohled teleskopu Jamese Webba, vpravo pohled Hubblova teleskopu. Díky jiným očím vidíme daleko víc.

Zdůrazňuji: Hubble je úžasný teleskop a málokterý stroj udělal pro popularizaci vědy tolik, co Hubblův teleskop. pic.twitter.com/5AaVyc9qhq

— Daniel Stach (@DanielStach) July 12, 2022

Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba skúma výhradne infračervenú oblasť spektra. Toto žiarenie má nízku energiu a väčšiu vlnovú dĺžku ako viditeľné svetlo.

Jeho výhodou je, že umožňuje detegovať zdroje svetla, ktoré by boli vo viditeľnom spektre ukryté za prachom a plynmi. Vďaka tomu možno novým ďalekohľadom zachytiť aj veľmi vzdialené hviezdy a galaxie.

Svetlo z nich sa s rozpínaním vesmíru natiahlo až do červených vlnových dĺžok – pre naše oči je také svetlo neviditeľné, no to neplatí o prístrojoch ďalekohľadu Jamesa Webba.

Najväčší vesmírny ďalekohľad

Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba je najväčším vesmírnym ďalekohľadom, aký ľudstvo postavilo. Jeho citlivosť 100-násobne prekračuje dosluhujúceho Hubbla.

Ide o spoločný projekt NASA, Európskej vesmírnej agentúry (ESA) a Kanadskej vesmírnej agentúry.

Do vesmíru ho vyniesli 25. decembra 2021 z Francúzskej Guyany. Mesiac nato ďalekohľad dorazil na miesto určenia, do Lagrangeovho bodu 2 (L2) vzdialeného 1,5 milióna kilometrov od Zeme.

V uvedenom mieste sa vyrovnávajú gravitačné a odstredivé sily Slnka a Zeme. Ďalekohľad umiestnený v bode L2 nemení voči tejto sústave, ktorú tvorí Slnko a Zem, svoju polohu.

Hlavné zrkadlo teleskopu s priemerom 6,5 metra je najväčším zrkadlom, aké sme kedy vyniesli do vesmíru. Neexistujú zariadenia, ktoré by ho dokázali vyniesť do vesmíru v jednom kuse, preto sa muselo rozdeliť na 18 menších segmentov. V ostatnom období sa pracovalo na tom, aby všetkých 18 častí hlavného zrkadla fungovalo ako jeden celok. Zároveň sa kalibrovali prístroje ďalekohľadu.

Exoplanéta WASP-96 b

Ďalekohľad Jamesa Webba je zameraný aj na výskum exoplanét (planéty obiehajúce inú hviezdu ako naše Slnko), kde pátra po stopách možného života, no skúmať má i prvé čierne diery či jadro Galaxie (Mliečnej cesty).

Tento utorok zverejnili vesmírne agentúry údaje ďalekohľadu Jamesa Webba o exoplanéte WASP-96b. Nejde o snímku, ale o záznamy spektier. Zo spektrálnych čiar, keď svetlo hviezdy prechádza cez atmosféru exoplanéty, možno určiť výskyt jednotlivých molekúl v jej atmosfére.

Takýmto spôsobom sa na vzdialených exoplanétach skúma potenciálny výskyt života – isté kombinácie molekúl sa vyskytujú iba v prípade, že na planéte je biologická aktivita.

WASP-96b je obrovská exoplanéta, tvorí ju prevažne plyn a nachádza sa takmer 1 150 svetelných rokov od Zeme. K jej objavu došlo v roku 2014.

Na WASP-96b našiel ďalekohľad Jamesa Webba stopy po vodnej pare. „Webb objavil jednoznačné stopy vody, náznaky pary a dôkazy o existencii oblakov (o ktorých sa kedysi predpokladalo, že neexistujú). Toto je doteraz najpodrobnejšie spektrum exoplanéty,“ uviedla NASA na Twitteri.

Astrofyzik Zajaček povedal, že spektrá exoplanét sa skúmali aj v minulosti, no tentoraz vyniká detailné spracovanie. „Získali sme čistý odtlačok horúcej atmosféry blízkej exoplanéty, ktorá obehne svoju hviezdu za 3,4 dňa. Hoci je extrémne rýchla, Webb dokáže zachytiť a analyzovať jej zloženie.“

Získané spektrum je natoľko presné, že z neho možno určiť aj teplotu oblakov exoplanéty. „Poznatky možno využiť nielen na chemické analýzy, ale aj na výskum fyzikálnych procesov v atmosfére exoplanéty,“ dodal Zajaček.

Hmloviny a Stephanov kvintet

Tento utorok sa zverejnili ešte tri fotografie z Vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba. Na jednej z nich je hmlovina Carina.

Hmlovina alebo nebula je medzihviezdny oblak prachových častíc a plynu.

Hmlovina Carina je jednou z najväčších hmlovín na oblohe a nachádza sa vo vzdialenosti približne 7 600 svetelných rokov (svetelný rok je jednotka vzdialenosti) v súhvezdí Kýl.

V polovici 18. storočia hmlovinu objavil francúzsky astronóm Nicolas-Louis de Lacaille.

Nachádza sa v nej masívna hviezda Eta Carinae. Odhady o jej hmotnosti sa pohybujú v rozsahu od 100 do 150 hmotností Slnka. Jej svietivosť je približne 4-miliónkrát vyššia ako Slnka.

Na zverejnenej snímke vidno rodiace sa hviezdy. „Zrodila sa hviezda,“ komentovala NASA fotografiu.

Astrofyzik Zajaček dodal, že na zábere vidno viacero generácií hviezd. Vidno oblasť, kde je veľa mladých a rodiacich sa hviezd s veľkým množstvom plynu a prachu, a vidno aj oblasť interakcie hviezdneho vetra už dospelých hviezd s týmto plynom a prachom. „Intenzívne žiarenie týchto mladých hviezd vedie k postupnej erózii hustého plyno-prachového materiálu.“

Miera detailu nemá podľa slovenského vedca obdobu.

Na ďalšom zverejnenom zábere je NGC 3132 (známa aj ako Caldwell 74), planetárna hmlovina v súhvezdí Plachty (napriek názvu neobsahuje hmlovina žiadne planéty). V roku 1835 ju objavil anglický astronóm John Herschel. Meria takmer polovicu svetelného roka a nachádza sa približne 2-tisíc svetelných rokov od Zeme.

„Nové detaily z ďalekohľadu Jamesa Webba zmenia naše chápanie toho, ako sa vyvíjajú hviezdy a ako ovplyvňujú svoje prostredie,“ uviedla NASA.

Astrofyzik Michal Zajaček povedal, že miera detailu fotografie ho šokovala. Snímka zobrazuje nedávno vytvorený molekulový vodík v odvrhnutej obálke umierajúcej hviezdy. „Umierajúca hviezda, v ktorej sa tvorí planetárna hmlovina, zrejme v určitých štádiách alebo pulzoch vyvrhuje hmotu podobne ako otáčajúci sa záhradný postrekovač.“ To sa premieta do bohatstva štruktúr, ktoré vidno na obrázku, vysvetlil Zajaček.

Tretia – dnes zverejnená – snímka sa týka Stephanovho kvintetu. Ide o skupinu piatich galaxií v súhvezdí Pegasus. Uvedený vesmírny objekt sa nachádza vo vzdialenosti 290 miliónov svetelných rokov. Ide o prvú objavenú kompaktnú skupinu galaxií; v roku 1877 ju zaznamenal francúzsky astronóm Édouard Stephan.

Na zverejnenom obrázku vidno päť galaxií, z nich štyri interagujú. „Webb prinesie revolúciu do našich poznatkov o tvorbe hviezd a interakciách plynu v nich,“ konštatuje NASA a dodáva: „Galaxie v Stephanovom kvintete sa zrážajú, navzájom sa ťahajú a rozťahujú v gravitačnom tanci.“

Štyri snímky a spektrum, ktoré sa tento týždeň zverejnili, prešli prísnym procesom výberu. Do širšieho kola patrilo asi 70 rôznych objektov. Podľa astrofyzika Zajačeka sa zohľadňoval nielen estetický rozmer sprístupnených záberov. „Snímky mali demonštrovať schopnosti štyroch vedeckých prístrojov teleskopu aj rôzne procesy od vzniku a evolúcie galaxií a hviezd až po ich zánik.“ Ide o základné piliere výskumu ďalekohľadu.

Predošlý záber z marca

Nie je to prvý raz, čo sa píše o fotografiách, ktoré vyhotovil Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba. Napríklad v marci sme v Denníku N písali o prvom zábere teleskopu, na ktorom je jasná hviezda.

No v tom čase sa ďalekohľad ešte len testoval, nebol v ostrej prevádzke a vedecký program nebol spustený. V tom je výnimočnosť nových záberov a dát zverejnených tento pondelok a utorok.

Na zábere z marca je „generická“ hviezda, ktorá vedcom vyhovovala najmä tým, že má adekvátnu jasnosť.

Dočervena je snímka sfarbená schválne. „Na zábere je bodový zdroj svetla, hviezda s označením 2MASS J17554042+6551277, ktorá je vzdialená približne 2-tisíc svetelných rokov od Zeme. Hviezda sa pozorovala v červenom filtri, aby sa zvýraznil kontrast voči tmavému pozadiu,“ opísal v minulosti vzhľad snímky astrofyzik Michal Zajaček.

Výbežky či hroty (z angl. spikes) hviezdy na fotografii sú prejavom tvaru ďalekohľadu. „Ide o dôsledok lomu svetla v optickej sústave teleskopu najmä z dôvodu oporných častí sekundárneho zrkadla. Na týchto ‚tyčiach‘ sa svetlo z hviezdy láme, čo následne vytvára charakteristické hroty v obraze zdroja,“ dodal Zajaček.

Mikrometeoroidy

V máji 2022 došlo k nepríjemnému incidentu, keď do ďalekohľadu Jamesa Webba narazili mikrometeoroidy väčších rozmerov. Pri stavbe teleskopu sa počítalo s tým, že k väčším nárazom bude dochádzať raz mesačne. Podľa inžinierov išlo o riziko, ktoré boli ochotní podstúpiť.

Vedci vypočítali, že priehlbiny či jamky sa na hlavnom zrkadle budú časom hromadiť, ale po 10 rokoch budú stále pokrývať len 0,1 percenta z plochy, čo nevylučuje fungovanie zariadenia.

Pri májovom náraze došlo k malej deformácii časti jedného z 18 šesťuholníkových segmentov, ktoré tvoria Webbovo primárne zrkadlo. Časopis Nature píše, že inžinierom sa podarilo odstrániť značnú časť poškodenia obrazu, hoci nedošlo k plnej obnove. Napriek tomu NASA tvrdí, že výkon ďalekohľadu naďalej prevyšuje očakávania.

Mikrometeoroidy vznikajú pri zrážkach asteroidov s inými planetárnymi objektmi. Častice majú zvyčajne veľkosť ako zrnko piesku, no môžu byť veľké aj ako autobus.

Porovnanie s pozemským observatóriom

Minulý týždeň bol zverejnený aj záber vesmíru, ktorý vykonal navigačný senzor Fine Guidance Sensor, zariadenie ďalekohľadu Jamesa Webba.

Hoci primárnym účelom tohto zariadenia je vykonávať presné zameranie vesmírnych objektov, dokáže robiť aj snímky, ktoré sú také kvalitné, že prekonávajú schopnosti pozemských ďalekohľadov.

To potvrdilo aj observatórium Univerzity v Hertfordshire, keď na sociálnej sieti zverejnilo fotografiu rovnakej časti oblohy, ako snímal senzor Vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba.

„Ten rozdiel je značný,“ pochválilo observatórium kvalitu záberu vesmírneho teleskopu. „Rozdiel nepotrebuje komentár. A znova opakujem, je to snímka (len) z navigačného senzora. Už tento záber je dych berúci a sám osebe má vedeckú hodnotu,“ uviedol na Facebooku Jakub Kapuš zo spoločnosti SPACEMANIC.