Minęły trzy lata, odkąd ludzkość zyskała nowy, potężniejszy wgląd w kosmos, okno na królestwo podczerwieni, które do tej pory było w dużej mierze ukryte przed naszymi oczami. Od lipca 2022 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, następca legendarnego Hubble'a i bezprecedensowe cudo techniki, niestrudzenie obserwuje kosmos. Jego niezwykła zdolność do wykrywania i analizowania światła podczerwonego, niewidzialnego dla ludzkiego oka, pozwala naukowcom być świadkami scen, które do niedawna były jedynie owocem teoretycznych rozważań. Webb nie tylko spełnia obietnice, z którymi został wystrzelony – on je przewyższa do tego stopnia, że astronomowie z trudem znajdują słowa, by opisać napływ nowych danych. W ciągu zaledwie trzech lat to obserwatorium zmieniło nasze rozumienie wszystkiego, od najdalszych galaktyk na skraju widzialnego wszechświata po nasze własne kosmiczne sąsiedztwo, Układ Słoneczny.

Zbudowany z misją napisania na nowo podręczników astronomii, Webb już teraz zapoczątkował prawdziwą rewolucję naukową. Do dziś pomyślnie ukończył ponad 860 programów naukowych, przy czym około jedna czwarta jego czasu operacyjnego poświęcona jest na robienie oszałamiających zdjęć, a dominujące trzy czwarte na spektroskopię – szczegółową analizę światła, która ujawnia skład chemiczny, temperaturę i ruch obiektów niebieskich. Ilość zebranych danych jest monumentalna: prawie 550 terabajtów informacji zaowocowało ponad 1600 opublikowanymi pracami naukowymi. Każda z tych prac przynosi fascynujące wyniki, ale także otwiera serię nowych, jeszcze głębszych pytań. Poniżej przedstawiamy dziesięć kosmicznych niespodzianek, które odkrył dla nas Webb, a które fundamentalnie zmieniły nasz pogląd na wszechświat.

Rewolucja w zrozumieniu kosmicznego świtu

Jednym z głównych celów naukowych Teleskopu Webba było zajrzenie w „kosmiczny świt”, okres w ciągu pierwszej miliardy lat po Wielkim Wybuchu, kiedy formowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki. Oczekiwania były skromne – naukowcy mieli nadzieję ujrzeć zaledwie kilka bladych, nierozwiniętych galaktyk, swoiste kosmiczne embriony, które dopiero zapowiadałyby przyszłe wspaniałe struktury, takie jak nasza Droga Mleczna. Ale to, co zobaczył Webb, było wszystkim, tylko nie skromne. Zamiast oczekiwanych, ledwo widocznych, słabych galaktyk, Webb odkrył zaskakująco jasne, masywne i dobrze ustrukturyzowane galaktyki, które istniały już w ciągu pierwszych 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Znalazł galaktyki z czarnymi dziurami, które wydają się o wiele za masywne jak na swój młody wiek, co stanowi ogromne wyzwanie dla istniejących modeli wzrostu czarnych dziur. Odkryto nawet galaktykę podobną do Drogi Mlecznej w jej dzieciństwie, która istniała, gdy wszechświat miał zaledwie 600 milionów lat. Niektóre z tych odkryć, takie jak te z programu JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), pokazały, że niektóre galaktyki już „wygasły” i przestały formować gwiazdy w ciągu pierwszej miliardy lat, podczas gdy inne, w ciągu 1,5 miliarda lat, rozwinęły się w złożone galaktyki spiralne „wielkiego projektu”, jakie widzimy w dzisiejszym wszechświecie. Chociaż setki milionów lat mogą wydawać się długim okresem, w kontekście 13,8 miliarda lat wieku wszechświata jest to odpowiednik rozwoju, który miał miejsce w pierwszych kilku tygodniach kosmicznego roku. Te pierwsze galaktyki błyskawicznie tworzyły pokolenia gwiazd, wzbogacając młody wszechświat w cięższe pierwiastki, które są podstawą wszystkiego, co dziś znamy.

Enigmatyczne „Małe Czerwone Kropki” rozrzucone po głębokim kosmosie

Ostre widzenie w podczerwieni Webba ujawniło zupełnie nową klasę obiektów niebieskich: odległą populację tajemniczo zwartych, jasnych i wyraźnie czerwonych galaktyk, które astronomowie nazwali „Małymi Czerwonymi Kropkami” (Little Red Dots). Ich pojawienie się rodzi liczne pytania. Co sprawia, że są tak jasne i czerwone? Czy ich światło jest wynikiem niezwykle gęstych gromad nietypowo jasnych gwiazd, czy może gazu wirującego w zawrotnym tempie w supermasywną czarną dziurę w ich centrum, a może kombinacji obu tych zjawisk? Ich historia jest również zagadkowa. Wydaje się, że te „kropki” pojawiły się we wszechświecie około 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu, około 13,2 miliarda lat temu, a ich liczba gwałtownie spadła niecałą miliard lat później. Czy ewoluowały w coś innego? Jeśli tak, to jak? Webb prowadzi obecnie bardziej szczegółowe badania tych obiektów, aby udzielić odpowiedzi na te intrygujące pytania.

Potwierdzenie „napięcia Hubble'a”: Pulsujące gwiazdy i potrójna supernowa

Jak szybko rozszerza się wszechświat? To pozornie proste pytanie jest jedną z największych tajemnic współczesnej kosmologii, ponieważ różne metody pomiaru tempa ekspansji dają różne wyniki. Ta niezgodność znana jest jako „napięcie Hubble'a”. Pojawia się kluczowe pytanie: czy te różnice są jedynie wynikiem błędów w pomiarach, czy też we wszechświecie dzieje się coś fundamentalnego, czego jeszcze nie rozumiemy? Dotychczasowe dane z Webba zdecydowanie wskazują, że problem nie leży w błędach pomiarowych. Teleskop, dzięki swojej niesamowitej rozdzielczości, zdołał wyraźnie odróżnić pulsujące gwiazdy (Cefeidy) od sąsiednich gwiazd w gęsto zaludnionych obszarach, zapewniając, że pomiary odległości nie są „zanieczyszczone” dodatkowym światłem. Co więcej, Webb odkrył odległą, soczewkowaną grawitacyjnie supernową, której obraz pojawia się w trzech różnych miejscach i w trzech różnych momentach podczas jej eksplozji. Obliczenie tempa ekspansji na podstawie jasności supernowej w tych trzech punktach stanowi niezależną weryfikację pomiarów uzyskanych za pomocą innych technik. Dopóki kwestia napięcia Hubble'a nie zostanie rozwiązana, Webb będzie kontynuował precyzyjne pomiary różnych obiektów, badając nowe metody i pogłębiając tajemnicę.

Zaskakująco bogate i różnorodne atmosfery gazowych olbrzymów

Chociaż Kosmiczny Teleskop Hubble'a jako pierwszy wykrył gazy w atmosferze egzoplanety – planety spoza naszego Układu Słonecznego – Webb przeniósł te badania na zupełnie nowy, niewyobrażalny poziom. Jego analiza spektroskopowa ujawniła bogaty koktajl substancji chemicznych w atmosferach odległych światów, w tym siarkowodór, amoniak, dwutlenek węgla, metan i dwutlenek siarki. Żaden z tych związków nigdy wcześniej nie został jednoznacznie wykryty w atmosferze poza naszym układem. Webb umożliwił również badanie egzotycznych klimatów gazowych olbrzymów jak nigdy dotąd. Na przykład na gorącym, rozdętym gazowym olbrzymie WASP-17 b wykrył płatki „śniegu” z dwutlenku krzemu (kwarcu) w chmurach. Na planecie WASP-39 b zmierzył różnice w temperaturze i zachmurzeniu między stałą poranną i wieczorną stroną planety, dając wgląd w dynamikę globalnej cyrkulacji na światach, które są wiecznie zwrócone jedną stroną do swojej gwiazdy.

Skalisty świat lawy z możliwą atmosferą

Wykrycie, a tym bardziej analiza, cienkiej warstwy gazu otaczającej małą skalistą planetę jest niezwykle trudnym zadaniem. Jednak niezwykła zdolność Webba do mierzenia subtelnych zmian jasności światła podczerwonego czyni to możliwym. Do tej pory teleskop zdołał wykluczyć istnienie znaczącej atmosfery na kilku skalistych planetach. Jednak na planecie 55 Cancri e, świecie pokrytym oceanem lawy krążącym wokół gwiazdy podobnej do Słońca w odległości 40 lat świetlnych, znalazł intrygujące ślady tlenku lub dwutlenku węgla. Wiodąca hipoteza głosi, że planeta ta może mieć wtórną atmosferę, nieustannie zasilaną gazem parującym z jej rozpalonej, pokrytej lawą powierzchni. Takimi odkryciami Webb kładzie podwaliny pod przyszłe obserwatorium NASA, Habitable Worlds Observatory, które będzie pierwszą misją specjalnie zaprojektowaną do bezpośredniego obrazowania i poszukiwania oznak życia na planetach podobnych do Ziemi wokół gwiazd podobnych do Słońca.

Odsłanianie kostnego szkieletu pobliskich galaktyk spiralnych

Od dawna wiemy, że galaktyki to kosmiczne miasta złożone z gwiazd, planet, pyłu, gazu, ciemnej materii i czarnych dziur – miejsca, gdzie gwiazdy rodzą się, żyją, umierają i są poddawane recyklingowi do następnej generacji. Ale nigdy wcześniej nie mogliśmy zobaczyć struktury galaktyki i interakcji między gwiazdami a ich otoczeniem w tak urzekających szczegółach. Widzenie w podczerwieni Webba przenika przez obłoki pyłu, które zasłaniają widok innym teleskopom, i odsłania „kostną” strukturę galaktyk. Widzimy włókna pyłu podążające za ramionami spiralnymi, stare gromady gwiazd tworzące jądra galaktyczne, nowo powstałe gwiazdy wciąż otulone gęstymi kokonami rozżarzonego gazu i pyłu oraz gromady gorących młodych gwiazd, które swoim promieniowaniem i wiatrami „rzeźbią” ogromne puste przestrzenie w otaczającej materii. Zdjęcia takie jak Galaktyki Widmo (M74/NGC 628) wyraźnie pokazują, jak wiatry gwiazdowe i eksplozje supernowych aktywnie przekształcają swoje galaktyczne domy.

Cienka granica między brązowym karłem a planetą samotną

Brązowe karły to obiekty, które formują się jak gwiazdy, ale nie są wystarczająco masywne i gorące, aby w swoich jądrach zapoczątkować fuzję jądrową wodoru, proces definiujący gwiazdy. Z drugiej strony „planety samotne” formują się jak inne planety w układzie, ale są później z niego wyrzucane i teraz wędrują przez kosmos bez macierzystej gwiazdy. Webb zaobserwował setki obiektów podobnych do brązowych karłów w Drodze Mlecznej, a nawet wykrył kilku kandydatów w sąsiedniej galaktyce. Problem w tym, że niektóre z tych obiektów są niezwykle małe – zaledwie kilka razy masywniejsze od Jowisza – co utrudnia zrozumienie ich powstawania. Czy są to w rzeczywistości swobodnie unoszące się gazowe olbrzymy? Jaka jest najmniejsza ilość materii potrzebna do uformowania brązowego karła lub gwiazdy? Jeszcze nie jesteśmy pewni, ale dzięki trzyletnim obserwacjom teleskopem Webba wiemy teraz, że istnieje kontinuum obiektów od planet przez brązowe karły po gwiazdy, z niejasnymi granicami między nimi.

Czy planety mogą przetrwać śmierć swojej gwiazdy?

Gdy gwiazda taka jak nasze Słońce dobiega końca swojego życia, rozdyma się do fazy czerwonego olbrzyma, stając się na tyle duża, by pochłonąć pobliskie planety. Następnie odrzuca swoje zewnętrzne warstwy, pozostawiając za sobą supergorące jądro znane jako biały karzeł. Czy istnieje „bezpieczna odległość”, na której planety mogą przetrwać ten kataklizmiczny proces? Webb mógł znaleźć odpowiedź. Odkrył kilku kandydatów na planety krążące wokół białych karłów. Jeśli potwierdzi się, że są to rzeczywiście planety, oznaczałoby to, że możliwe jest, aby układy planetarne, a przynajmniej ich zewnętrzne części, przetrwały śmierć swojej gwiazdy, kontynuując krążenie wokół powoli stygnącego żaru gwiezdnego. Otwiera to fascynujące możliwości dotyczące długoterminowego losu układów planetarnych.

Fontanna Enceladusa zasila system Saturna w wodę

Wśród lodowych „oceanicznych światów” naszego Układu Słonecznego, księżyc Saturna Enceladus jest być może najbardziej intrygujący. Misja Cassini NASA jako pierwsza wykryła gejzery pary wodnej wybuchające z jego południowego bieguna. Jednak dopiero Webb zdołał odkryć prawdziwą skalę tych pióropuszy. Obserwacje pokazały, że jest to ogromny obłok pary wodnej rozciągający się na ponad 9 600 kilometrów, co jest prawie 20 razy szersze niż sam Enceladus. Ta woda rozprzestrzenia się i tworzy torus, pierścień w kształcie pączka, który otacza Saturna poza jego znanymi widocznymi pierścieniami. Podczas gdy mniejsza część wody pozostaje w tym torusie, większość rozprasza się po całym systemie Saturna, a nawet „pada jak deszcz” na samą planetę. Unikalne obserwacje Webba dotyczące pierścieni, zórz, chmur, wiatrów i innych zjawisk w Układzie Słonecznym pomagają nam lepiej zrozumieć, z czego składa się nasze kosmiczne sąsiedztwo i jak zmieniało się na przestrzeni czasu.

Ocena asteroid zagrażających Ziemi

W 2024 roku astronomowie odkryli asteroidę, dla której wstępne obliczenia wykazały pewne prawdopodobieństwo uderzenia w Ziemię. Takie potencjalnie niebezpieczne asteroidy natychmiast stają się przedmiotem intensywnych obserwacji. Webb, ze swoimi unikalnymi zdolnościami, był w stanie szybko zmierzyć obiekt, który okazał się wielkości 15-piętrowego budynku. Chociaż ta konkretna asteroida nie jest już uważana za zagrożenie, badanie to zademonstrowało kluczową rolę Webba w ocenie zagrożeń z kosmosu. Teleskop zapewnił również kluczowe wsparcie dla misji DART (Double Asteroid Redirection Test) NASA, która celowo zderzyła statek kosmiczny z systemem asteroid Didymos, udowadniając, że planowane uderzenie może zmienić trajektorię asteroidy, która znajdowałaby się na kursie kolizyjnym z Ziemią. Zarówno Webb, jak i Hubble obserwowali zderzenie, będąc świadkami chmury wyrzuconej materii. Analiza spektroskopowa tej materii przez Webba potwierdziła, że skład asteroidy jest prawdopodobnie typowy dla tych, które mogłyby stanowić zagrożenie dla Ziemi, dostarczając kluczowych danych dla przyszłych misji obrony planetarnej.

W ciągu zaledwie trzech lat pracy Webb wyostrzył nasze spojrzenie na odległy wszechświat, odkrywając nieoczekiwanie jasne i liczne wczesne galaktyki. Ujawnił nowe gwiazdy w ich pylistych kolebkach, pozostałości po eksplodujących gwiazdach i szkielety całych galaktyk. Badał pogodę na gazowych olbrzymach i szukał atmosfer na skalistych światach. Dostarczył nowych spostrzeżeń na temat mieszkańców naszego własnego Układu Słonecznego. Ale to dopiero początek. Inżynierowie szacują, że Webb ma wystarczająco dużo paliwa, aby kontynuować obserwacje przez co najmniej kolejne 20 lat, co daje nam szansę na odpowiedź na dodatkowe pytania, zbadanie nowych tajemnic i ułożenie jeszcze większej liczby elementów kosmicznej układanki. Zapotrzebowanie na czas obserwacyjny na Webbie jest większe niż kiedykolwiek, przewyższając każdy inny teleskop w historii, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie. Jakie nowe odkrycia jeszcze na nas czekają?

Oryginalny artykuł został opublikowany na portalu NASA science.nasa.gov.
Źródło: 3 Years of Science: 10 Cosmic Surprises from NASA’s Webb Telescope
Autor: Dr. Macarena Garcia Marin i Margaret W. Carruthers, Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland