Telescopul Spațial James Webb (JWST) a fost lansat a ziua de Crăciun a anului 2021, la bordul unei rachete Ariane 5, din Guiana Franceză, ducând în spațiu visurile mai multor generații de oameni de știință. Astronomii sperau să vadă în spațiu mai departe ca niciodată, până în vremurile în care galaxiile se formau, să pătrundă prin norii de praf stelar pentru a asista la nașterea stelelor și să sondeze atmosferele exoplanetelor pentru a vedea dacă acestea pot susține viața. După aproape un an în spațiu, JWST începe să transforme aceste visuri în realitate.
Noul telescop spațial vine cu avantaje semnificative față de generațiile precedente. Primul și cel mai important dintre acestea este oglinda sa cu diametrul de 6,5 metri, compusă din 18 segmente hexagonale placate cu aur. Telescopul poate capta de peste șase ori mai multă lumină decât Telescopul Spațial Hubble, al cărui oglindă are un diametru de 2,4 metri.
Însă sensibilitatea JWST în domeniul infraroșu este cea care face diferența. Telescopul spațial poate detecta lungimi de undă cuprinse între 0,6 și 28,5 micrometri, de la capătul roșu al spectrului vizibil până la infraroșu mijlociu. Sistemele optice ale Telescopului Hubble, pe de altă parte, sunt optimizate pentru a înregistra radiații cu lungimile de undă cuprinse între 0,09 micrometri (domeniul ultraviolet) și 2,5 micrometri (domeniul infraroșu apropiat), sensibilitatea principală fiind în domeniul luminii vizibile.
Observațiile în infraroșu permit astronomilor să vadă galaxiile care existau cu mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. Aceste obiecte cosmice îndepărtate emit lumină în domeniile ultraviolet și vizibil, însă expansiunea universului deplasează această radiație către lungimi de undă din domeniul infraroșu (lungimi de undă mai mari). Observațiile în infraroșu sunt singura cale de a studia aceste galaxii timpurii din vecinătatea Pământului. Același lucru este valabil și pentru stelele în curs de formare. Praful care înconjoară stelele tinere blochează lumina vizibilă, dar permite radiației infraroșii să treacă mai departe.
Oamenii nu pot vedea radiația infraroșie, deci culorile din imaginile realizate de Telescopul Spațial James Webb nu se potrivesc cu ceea ce ochiul uman ar vedea. În multe cazuri, oamenii de știință figurează lungimile de undă mai lungi din domeniul infraroșu cu culori de la capătul roșu al spectrului vizibil și lungimile de undă mai scurte cu culori de la capătul albastru, mimând modul în care funcționează ochiul. Dar uneori acest tipar este modificat pentru a arăta detaliile într-o lumină mai revelatoare.
Deși JWST a fost lansat la sfârșitul anului 2021, telescopul a avut nevoie de 29 de zile pentru a ajunge la destinație, în punctul Lagrange 2 (L2), la circa 1,5 milioane de kilometri distanță față de Pământ, și de încă cinci luni pentru ca inginerii să-l pregătească pentru punerea în funcțiune. Iată câteva dintre cele mai interesante descoperiri realizate până acum.
Aproape de casă
În ciuda concentrării sale pe galaxiile îndepărtate și formarea stelelor, Telescopul Spațial James Webb poate fi utilizat în mai multe domenii. Puternicii săi ochi în infraroșu pot vedea obiectele din Sistemul Solar în mai multe detalii decât o pot face telescoapele convenționale. Primele observații în această direcție includ studierea centurilor de nori din jurul planetelor gigantice gazoase și de gheață, a formațiunilor de nori de pe Titan (satelitul lui Saturn), a climatului de pe Pluto și a numeroșilor asteroizi mici și obiecte trans-neptuniene ce populează periferia Sistemului Solar.
Planeta Neptun văzută de instrumentul NIRCam (camera în infraroșu apropiat) a Telescopului Spațial James Webb. Neptun are 14 sateliți cunoscuți, iar șapte dintre aceștia sunt vizibili în această imagine. | Sursa: NASA/ESA/CSA/STScI
JWST a observat chiar și asteroidul Dimorphos, în septembrie, atunci când sonda DART (Double Asteroid Redirection Test) a NASA a intrat în coliziune cu el. Impactul a modificat puțin orbita obiectului.
Ne putem gândi la JWST și ca la un satelit meteorologic planetar pentru sistemul nostru solar. Ultimele imagini de aproape ale lui Saturn au venit înainte ca sonda Cassini să se prăbușească pe această planetă în septembrie 2017. Iar planetele Uranus și Neptun nu au mai fost vizitate de altă sondă spațială de la Voyager 2, în anii 1980. Însă Telescopul James Webb poate vedea furtunile de pe aceste lumi în detalii fine.
Neptun a fost observată de JWST în luna iulie. Cea mai mare parte a suprafeței acestei planete gigantice pare întunecată, deoarece metanul din atmosferă absoarbe radiația din domeniul infraroșu apropiat. Însă mai mulți nori de metan sunt mai strălucitori și sugerează o circulație atmosferică la nivel planetar. Această circulație alimentează puternicele furtuni și vânturi de pe Neptun.
Alte lumi
Chiar dacă planetologii încearcă să dezlege numeroasele secrete are sistemului nostru solar, cele peste 5.000 de exoplanete cunoscute din galaxia noastră rămân încă un mister. De obicei, cunoaștem orbitele, dimensiunile și masele acestor planete, dar obținerea altor informații este peste posibilitățile telescoapelor terestre sau chiar ale Telescopului Hubble. Însă JWST deja a început să modifice această stare.
Deși nu este conceput pentru a descoperi exoplanete, JWST a confirmat una în jurul stelei LHS 475, o pitică roșie situată la 41 de ani-lumină față de Pământ, în Constelația Octantul. Satelitul TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) al NASA a sugerat că această stea ar putea adăposti o planetă, dar a fost nevoie de noul telescop spațial pentru a confirma scăderea minusculă a luminozității cauzată de trecerea planetei (tranzitul planetei) prin fața stelei. Planeta pare a fi stâncoasă, cu un diametru cu doar 1% mai mic decât cel al Pământului, deși asemănarea cu lumea noastră natală se oprește aici. Orbitează în jurul soarelui său în doar două zile și are o temperatură cu câteva sute de grade mai mare decât Pământul.
Cu toate acestea, adevărata putere a JWST vine din capacitatea sa de a analiza atmosferele exoplanetelor. Pentru a realiza acest lucru, telescopul trebuie să observe tranzitul planetelor cu spectrografele sale puternice. Pe măsură ce o planetă trece între Pământ și steaua gazdă, atmosfera ei filtrează unele lungimi de undă ale luminii emise de stea. Deoarece fiecare atom și moleculă are o amprentă spectrală distinctă, acest lucru le permite astronomilor să studieze structura chimică a acestor lumi.
Prima exoplanetă studiată de Telescopul Spațial James Webb a fost WASP-39 b, o planetă gigantică gazoasă și fierbinte care orbitează o stea asemănătoare Soarelui, aflată la 700 de ani-lumină depărtare, în Constelația Fecioara. Rezoluția înaltă a lui JWST a scos la iveală apa, dioxidul de sulf, monoxidul de carbon, sodiul, potasiul și, pentru prima dată pe o exoplanetă, dioxidul de carbon. Planeta strălucește la o temperatură de 900 de grade Celsius, nu din cauza unui efect de seră, ci pentru că orbitează la doar 7,27 milioane de kilometri depărtare de steaua sa. (Spre comparație, Mercur orbitează la aproape 57,9 milioane de kilometri față de Soare.)
Stâlpii Creației (Pillars of Creation) din Nebuloasa Vulturul (M16) văzuți de Telescopul Spațial James Webb în domeniul infraroșu apropiat. Stâlpii sunt formați din gaze și praf semitransparent și își modifică mereu forma. În această regiune din Nebuloasa Vulturul se formează stele tinere. | Sursa: NASA, ESA, CSA, STScI; JOSEPH DEPASQUALE (STScI), ANTON M. KOEKEMOER (STScI), ALYSSA PAGAN (STScI)
Privind în interiorul incubatoarelor stelare
Planetele și stelele în jurul cărora acestea orbitează se formează toate în interiorul incubatoarelor stelare bogate în gaze și praf, pe care astronomii le numesc nebuloase. Dar acești nori – oricât de frumoși ar fi ei – ascund activitățile vitale care au loc în interior, cel puțin în lumină vizibilă. Vederea în infraroșu a lui JWST a început să arunce o lumină nouă asupra acestor medii.
Una dintre primele sale ținte a fost o mică porțiune din Nebuloasa Vulturul (M16) din Constelația Șarpele, pe care Hubble a făcut-o celebră în 1995. Imaginea dramatică a „Stâlpilor Creației” (Pillars of Creation) a fost introdusă de revista Time în lista celor mai influente 100 de fotografii din toate timpurile. Telescopul James Webb a surprins o vedere la fel de uimitoare a acestei regiuni emblematice de formare a stelelor, care se află la 6.500 de ani-lumină față de Pământ. Acolo unde Hubble a văzut în mare parte praf opac și gaze reci, JWST a dezvăluit multe stele care ieșeau deja din coconii lor natali. Cele mai multe dintre aceste stele nou-născute apar în afara stâlpilor întunecați și se dezvăluie prin vârfurile lor de difracție, o caracteristică a imaginilor realizate cu telescoape reflectorizante precum JWST.
Acești sori tineri au avut timp să aprindă fuziunea nucleară în miezul lor și să devină stele cu drepturi depline. Dar JWST a descoperit obiecte și mai tinere cunoscute sub numele de protostele, care încă atrag gaz și praf din împrejurimile lor. Astfel de protostele aruncă periodic jeturi de material care se ciocnesc de mediul dens din jurul lor și îl fac să radieze. Cele mai bune exemple apar sub forma unor străluciri roșiatice în zona vârfurile celor doi stâlpi inferiori. Astronomii estimează că protostelele au o vârstă de doar câteva sute de mii de ani.
Interacțiunea gravitațională dintre cele două galaxii care alcătuiesc ZW II 96 le-a distorsionat formele și a produs filamentele de gaz și praf care par să le conecteze nucleele. Contopirea în curs a celor două galaxii a declanșat, de asemenea, un proces intens de formare a stelelor, făcând perechea deosebit de strălucitoare la lungimile de undă din domeniul infraroșu. | Sursa: ESA/WEBB/NASA/CSA/L. ARMUS, A.S. EVANS
Dincolo de Calea Lactee
Formarea stelelor are loc, desigur, în întregul univers, iar oamenii de știință au fost dornici să studieze în afara galaxiei noastre. În grupul nostru local se află două situri-cheie din acest punct de vedere: Marele și Micul Nor al lui Magellan, cele mai masive două galaxii-satelit ale Căii Lactee, joacă un rol imens în descifrarea universului.
Acest lucru se datorează faptului că întreaga cantitate de metale – elemente mai grele decât heliul din stelele masive – din cele două galaxii se dovedește a fi aproximativ jumătate față de cea din Calea Lactee. Aceste condiții le imită pe cele care existau atunci când cosmosul avea doar 2 sau 3 miliarde de ani și galaxiile produceau stele în cel mai intens ritm. Procesele de formare a stelelor din timpul acestei așa-zise „amiezi cosmice” au modelat galaxiile de la acea vreme și continuă să influențeze galaxiile pe care le vedem astăzi.
Nicio caracteristică a Norilor lui Magellan nu se apropie mai bine de acele vremuri haotice decât Nebuloasa Tarantula din Marele Nor al lui Magellan. Fiind cea mai mare regiune de formare a stelelor din universul apropiat, în Nebuloasa Tarantula stelele noi se formează într-un ritm feroce. Astronomii au catalogat până în prezent aproximativ 820.000 de stele, iar rezervoarele vaste de hidrogen și heliu pe care le conține nebuloasa ar trebui să fie suficiente pentru alte sute de mii de stele. Strălucitorul roi de stele din centrul său, numit R136, conține zeci de stele care cântăresc cel puțin 100 de mase solare.
Observațiile inițiale ale lui JWST dezvăluie Nebuloasa Tarantula în detalii fără precedent (imaginea de început). Radiațiile puternice și vânturile stelare produse de stelele masive din R136 au curățat de gaze și praf o bulă mare din regiunea centrală a nebuloasei. Doar zonele înconjurătoare cele mai dense, care adăpostesc probabil stele proprii, rezistă acestui atac. Deoarece nebuloasa se află la doar 160.000 de ani-lumină față de Pământ – la o aruncătură de băț la scară cosmică – Tarantula oferă astronomilor o vedere de aproape a condițiilor pe care le vor întâlni în timp ce explorează „amiaza cosmică” mai în profunzime.
Până la margine
În multe cazuri, observațiile obiectelor apropiate permit cercetătorilor să înțeleagă mai bine obiectele mai îndepărtate. Planetele din sistemul nostru solar oferă informații despre alte exoplanete, așa cum formarea stelelor din Norii lui Magellan aruncă o lumină asupra regiunilor similare din universul îndepărtat. În același mod, studierea galaxiilor care interacționează duce direct la obiectivul final de a înțelege primele zile turbulente ale cosmosului.
Însă, în timp ce regiunile din apropiere pot servi adesea ca analogi pentru medii mai vechi și mai îndepărtate, JWST a fost proiectat pentru a observa în mod direct galaxiile timpurii formate în zorii cosmosului.
Prima fotografie de tip câmp profund (deep-field) realizată de JWST a surprins roiul de galaxii SMACS 0723. Membrii roiului se află la aproximativ 4,6 miliarde de ani-lumină față de Pământ și apar ca străluciri eliptice albe. Masa lor creează o lentilă gravitațională care mărește și deformează galaxiile mai îndepărtate, dintre care unele au existat la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. | Sursa: NASA/ESA/CSA/STScI
Una dintre primele imagini realizate de Telescopul Spațial James Webb – și prima lansată public – a fost o fotografie de tip câmp profund (deep-field) a roiului de galaxii SMACS 0723 din Constelația Peștele Zburător (Volans). Expunerea a durat 12,5 ore, comparativ cu expunerea de câteva săptămâni necesară în cazul telescopului Spațial Hubble, și înregistrează galaxii chiar mai puțin strălucitoare și mai îndepărtate decât le-a putut vedea Hubble.
Vedem SMACS 0723 așa cum apărra „cu doar” 4,6 miliarde de ani în urmă. Dar datorită masei uriașe a roiului, care acționează ca o lentilă gravitațională pentru a mări și a distorsiona obiectele din spatele lui, putem vedea galaxii care au existat la un miliard de ani după Big Bang. După cum v-ați putea aștepta, cele mai mici galaxii din imagine se află cel mai departe. În mod surprinzător, ele nu seamănă deloc cu galaxiile spirale și eliptice mai mature mai apropiate de Pământ.
Însă poate cele mai semnificative descoperiri de până acum sunt cele mai îndepărtate două galaxii văzute vreodată. Folosind masivul roi de galaxii Abell 2744 din Constelați Sculptorul ca lentilă gravitațională, oamenii de știință au descoperit două universuri insulare care existau la doar 450 de milioane și 350 de milioane de ani după Big Bang (care a avut loc acum 13,8 miliarde de ani). Galaxiile par excepțional de strălucitoare și probabil că au început să se formeze la doar 100 de milioane de ani după Big Bang. Cercetătorii nu știu încă dacă galaxiile dețin numeroase stele puțin strălucitoare sau câteva stele extraordinar de strălucitoare de populație III – stele masive ipotetice formate numai din hidrogen și heliu și care au fost primele stele ce au apărut în univers.
Călătoria Telescopului Spațial James Webb la bordul rachetei Ariane 5 a decurs atât de bine încât NASA estimează acum că observatorul are suficient combustibil pentru a funcționa cel puțin 20 de ani. Aceasta înseamnă că descoperirile științifice și imaginile frumoase abia au început să iasă la iveală.
Sursa: Astronomy.com