Ostatnie w tym roku zdjęcie miesiąca z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w reżyserii ESA przynosi widok, który wygląda jak świąteczna pocztówka z głębin Drogi Mlecznej: młoda gromada gwiazd Westerlund 2, zanurzona w rozżarzonych obłokach mgławicy Gum 29, wypełnia kadr tysiącami lśniących gwiazd i złożonymi strukturami gazu i pyłu. W jednym kadrze połączono estetykę i naukę – wizualnie spektakularny kosmiczny „pokaz fajerwerków” i niezwykle bogate laboratorium do badania powstawania gwiazd, brązowych karłów i dysków protoplanetarnych.

Westerlund 2 znajduje się około 20 000 lat świetlnych od Ziemi w południowym gwiazdozbiorze Kila (Carina). Jest to niezwykle młoda, zaledwie około dwumilionowa gromada, położona w olbrzymim obszarze tworzenia się gwiazd znanym jako Gum 29. W tym chaotycznym otoczeniu, w którym masywne gwiazdy swoim promieniowaniem i wiatrami „rzeźbią” otaczającą mgławicę, Webb teraz po raz pierwszy w zakresie podczerwieni pokazuje niemal całą populację gwiazd i obiektów podgwiazdowych, od najbardziej masywnych olbrzymów aż po najmniejsze brązowe karły, których masa jest zaledwie około dziesięć razy większa od masy Jowisza.

Nowe zdjęcie powstało z połączenia danych instrumentów Webba NIRCam (Near-Infrared Camera) i MIRI (Mid-Infrared Instrument). NIRCam w zakresie bliskiej podczerwieni rejestruje młode gwiazdy przebijające się przez pył, podczas gdy MIRI w średniej podczerwieni odkrywa rozżarzony zapylony gaz i warstwy ciepłego materiału, w których rodzą się planety. Razem dają warstwowy, niemal trójwymiarowy obraz gwiezdnej „kołyski” na pełnych obrotach.

Fajerwerki gwiazd w sercu mgławicy Gum 29

W górnej części zdjęcia Webba dominuje zwarta gromada młodych, niezwykle masywnych gwiazd – samo serce Westerlund 2. Wiele z nich należy do najgorętszych i najjaśniejszych gwiazd znanych w Drodze Mlecznej, a część układu stanowią prawdopodobnie również gwiazdy typu Wolfa–Rayeta, które już wykazują silne wiatry gwiazdowe i bogate widmo linii emisyjnych. Ich intensywne promieniowanie ultrafioletowe i wiatry dosłownie „piaskują” otaczający gaz, spychając go w fale, skały i filary, które otaczają jądro gromady.

Gromada Westerlund 2 rozciąga się na około 6 do 13 lat świetlnych średnicy i zawiera około kilku tysięcy gwiazd, od gigantycznych gorących gwiazd typu O do mnóstwa słabszych, dopiero powstałych gwiazd o niższej masie. Ponieważ gromada jest bardzo młoda, grawitacyjnie nie zdążyła się jeszcze „rozsypać” po galaktyce; wszystkie gwiazdy są wciąż stosunkowo gęsto upakowane w tym samym obszarze. Właśnie ta gęstość i młodość czynią Westerlund 2 idealnym naturalnym laboratorium do badania procesów, w których formują się gwiazdy i planety w najbardziej ekstremalnych warunkach.

Mgławica Gum 29, w której znajduje się gromada, to olbrzymi bąbel zjonizowanego wodoru i pyłu. Na zdjęciu Webba ściany tego bąbla są przedstawione jako faliste, popękane struktury w odcieniach pomarańczu i czerwieni, podczas gdy cieńsze, rzadsze warstwy materiału przechodzą w łagodniejsze błękitne i różowe tony. Promieniowanie gwiazd z Westerlund 2 przenika całą scenę, oświetlając krawędzie obłoków niczym zachodzące Słońce, które barwi krawędzie obłoków kłębiastych na Ziemi.

Ten sam widok jeszcze przed dziesięciu laty przypomniało słynne zdjęcie Hubble’a opublikowane z okazji 25. rocznicy tego teleskopu. Hubble pokazał wtedy w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni fajerwerki około trzech tysięcy młodych gwiazd i chaotyczne obłoki gazu. Jednak instrumenty Webba mogą zajrzeć jeszcze głębiej przez pył i ujawnić także te znacznie słabsze źródła światła, których Hubble nie mógł wyraźnie rozdzielić – zwłaszcza chłodniejsze, niskomasywne gwiazdy i brązowe karły ukrywające się w cieniach obłoków.

Sześcioramienne gwiezdne iskry i żarzące się ściany gazu

Wrażenie wizualne zdjęcia Webba przedstawiającego Westerlund 2 na pierwszy rzut oka może zwieść: na niebie wydaje się, jakby wszystkie gwiazdy były częścią tej samej gromady. Lecz wiele z najbardziej lśniących gwiazd ze spektakularnymi sześcioramiennymi dyfrakcyjnymi „płatkami” w rzeczywistości znajduje się znacznie bliżej Ziemi. Są to gwiazdy z naszego ramienia spiralnego Drogi Mlecznej, których światło szczególnie mocno załamuje się na geometrii zwierciadeł i wsporników Webba, tworząc rozpoznawalny wzór szpiców.

Prawdziwi członkowie Westerlund 2 są w większości znacznie słabsi, ale w podczerwonym spojrzeniu Webba jest ich zaskakująco dużo. W środkowej części zdjęcia widzimy zwarta gromadę drobnych, spiczastych kropek – młode gwiazdy na ciągu głównym i obiekty przed ciągiem głównym (pre-main-sequence), które dopiero kończą fazę powstawania. Niektóre z nich są wciąż zatopione w małych kokonach gazu i pyłu, widocznych jako pogniecione, gęste „węzełki” w poza tym bardziej przejrzystych obłokach.

Poniżej i wokół głównej gromady wyróżniają się wielkie, niemal rzeźbiarsko uformowane ściany i filary gazu. Są to strefy, w których obłoki zostały już zerodowane przez promieniowanie najbardziej masywnych gwiazd; krawędzie tych struktur są oświetlone niczym obwódki chmur o zachodzie Słońca, ale w podczerwieni, więc kolory przechodzą od ciemnej czerwieni do jasnego pomarańczu. W tych warstwach granicznych znajdują się również gęste filary i „palce” materiału, które chronią wewnętrzne, jeszcze chłodniejsze gniazda gwiazd przed najsilniejszym promieniowaniem.

W cieńszych częściach mgławicy, między gęstszymi obłokami, promieniowanie podczerwone ukazuje miękkie niebieskawe i różowe odcienie – ślady rzadszego gazu i pyłu, które unoszą się między dwiema głównymi strefami tworzenia się gwiazd. Całe zdjęcie funkcjonuje więc jako mapa gęstości i temperatury: cieplejsze i gęstsze części świecą w bardziej czerwonych tonach, podczas gdy chłodniejszy i rzadszy materiał przechodzi w łagodniejsze, bardziej przejrzyste kolory.

Jak Webb „widzi” przez pył: NIRCam i MIRI w tandemie

Klucz do tak szczegółowego zdjęcia leży w połączeniu dwóch głównych kamer Webba. NIRCam, kamera do bliskiej podczerwieni, jest czuła na długości fal od w przybliżeniu 0,6 do 5 mikrometrów. Jest ona głównym „koniem roboczym” Webba do ostrych zdjęć młodych gwiazd i protogwiazd, ale też narzędziem, którym teleskop pierwotnie się kalibrował i wyostrzał. Dzięki wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czułości, NIRCam może rozróżniać poszczególne gwiazdy nawet w niezwykle zwartych gromadach takich jak Westerlund 2, gdzie tysiące źródeł światła znajdują się niemal „ramię w ramię”.

MIRI, instrument do średniej podczerwieni, pracuje na jeszcze większych długościach fal, w przybliżeniu od 5 do 28 mikrometrów. W tym zakresie promieniuje ciepły zapylony gaz i cząsteczki pyłu ogrzane promieniowaniem gwiazdowym, jak również warstwy gazu molekularnego w otoczeniu młodych gwiazd i dysków protoplanetarnych. MIRI daje więc mapę, z których części mgławicy dociera ciepło i gdzie znajdują się gęste, wciąż aktywne kieszenie materiału, z których gwiazdy i planety nadal powstają.

W obrazie Westerlund 2 dane NIRCam i MIRI zostały starannie połączone w jedno kompozytowe zdjęcie. Wybrano specyficzne kolory podczerwieni, aby podkreślić różnice między gorącymi, masywnymi gwiazdami, chłodniejszymi, dopiero powstałymi gwiazdami o małej masie oraz obłokami gazu i pyłu. Za estetycznie atrakcyjnym rezultatem stoi precyzyjne naukowe „kodowanie” kolorów, które umożliwia astronomom odczytanie z jednego zdjęcia mnóstwa różnych informacji fizycznych – od temperatury i gęstości, po strukturę i głębokość obłoków.

Polowanie na brązowe karły: kompletny spis podgwiezdnych sąsiadów

Jednym z najważniejszych wyników naukowych kryjących się za tym zdjęciem jest pierwszy niemal kompletny spis brązowych karłów w Westerlund 2. Brązowe karły to obiekty „pomiędzy” gwiazdami a planetami: są wystarczająco masywne, by w ich jądrach ruszyła fuzja deuteru, ale nie mają wystarczającej masy, by utrzymać stabilną fuzję wodoru jak prawdziwe gwiazdy. Z tego powodu są bardzo ciemne i chłodne w zakresie optycznym, więc niezwykle trudno je odkryć na dużych odległościach – zwłaszcza jeśli są ukryte za obłokami pyłu.

Właśnie tu do głosu dochodzi czułość Webba w widmie podczerwonym. W Westerlund 2 dane Webba po raz pierwszy ujawniają cały szereg brązowych karłów w niezwykle masywnej młodej gromadzie, wliczając w to obiekty, których masa wynosi zaledwie około dziesięć mas Jowisza. Takie obiekty są poza zasięgiem większości wcześniejszych instrumentów, więc dotąd były praktycznie niewidoczne na tych dystansach.

Spis tych podgwiezdnych członków klastra jest szczególnie ważny dla zrozumienia tzw. początkowej funkcji masy – rozkładu mas, z jaką przyroda „rodzi” gwiazdy i obiekty podgwiezdne w różnych środowiskach. W spokojniejszych, mniej gęstych żłobkach gwiezdnych, astronomowie mogli już badać, jak liczba małych gwiazd i brązowych karłów ma się do liczby masywnych gwiazd. Lecz w ekstremalnych, supermasywnych gromadach takich jak Westerlund 2, gdzie dominują bardzo masywne gwiazdy i silna radiacja, takie szczegółowe badania dotąd były niemożliwe.

Dane Webba pozwalają teraz określić dla Westerlund 2, w jakim stopniu to „ekstremalne sąsiedztwo” sprzyja lub tłumi powstawanie brązowych karłów. Jeśli okaże się, że ich liczba jest podobna do tej w spokojniejszych obszarach, sugerowałoby to, że przyroda tworzy obiekty podgwiezdne w podobnym tempie bez względu na otoczenie. Lecz jeśli jest ich znacznie mniej lub więcej, oznaczałoby to, że środowisko – gęstość gazu, turbulencje, promieniowanie – bezpośrednio zmienia sposób, w jaki gaz ulega fragmentacji i zapada się w nowe obiekty.

Dyski w niebezpiecznej dzielnicy: gdzie rodzą się i znikają planety

Obok brązowych karłów, dane Webba nawiązują też do wieloletniego monitorowania dysków protoplanetarnych w Westerlund 2 przez Hubble’a. Dyski to płaskie, rotujące struktury gazu i pyłu otaczające młode gwiazdy; właśnie w tych dyskach powstają układy planetarne. Jednak w środku Westerlund 2, gdzie masywne gwiazdy nieustannie bombardują otoczenie promieniowaniem ultrafioletowym i silnymi wiatrami, dyski są narażone na środowisko, które grozi im rozproszeniem i wyparowaniem.

Hubble w trzyletnim programie pokazał, że dyski gwiazd bliższych środka gromady tracą materiał znacznie szybciej niż dyski w strefach peryferyjnych. Webb teraz w zakresie podczerwieni kontynuuje tę opowieść: dzięki czułości na ciepły pył i gaz molekularny, astronomowie mogą zidentyfikować kilkaset gwiazd z dyskami w różnych fazach rozwoju w całym klastrze, od gęstych, wciąż masywnych dysków do już dość ogołoconych struktur na skraju przetrwania.

Takie porównanie daje rzadką okazję, by bezpośrednio obserwować, jak otoczenie wpływa na przyszłość potencjalnych układów planetarnych. W centrum Westerlund 2 planety – jeśli w ogóle powstaną – prawdopodobnie są narażone na silne promieniowanie i częste bliskie spotkania z sąsiednimi gwiazdami. Rezultatem mogą być zdestabilizowane orbity, wyrzucone planety lub bardzo egzotyczne układy, które trudno przypominają nasz Układ Słoneczny. Na obrzeżach gromady, gdzie otoczenie jest spokojniejsze, dyski mają więcej czasu, by ostygnąć, zgromadzić pył i zbudować planety, zanim okoliczne olbrzymy je zniszczą.

Westerlund 2 służy zatem jako ekstremalny poligon doświadczalny: pokazuje, jak powstawanie planet przebiega w „złej dzielnicy” galaktyki, w warunkach, które prawdopodobnie przypominają środowiska, w których we wczesnej historii wszechświata rodziły się pierwsze pokolenia gwiazd i planet. Poprzez porównanie ze spokojniejszymi, mniejszymi gromadami astronomowie mogą zrekonstruować, na ile nasz Układ Słoneczny był „chroniony” w stosunku do tak gwałtownych obszarów.

EWOCS: wielki projekt mapowania supermasywnych gromad gwiezdnych

Nowe zdjęcie Webba przedstawiające Westerlund 2 jest częścią szerszych obserwacji przeprowadzonych w ramach projektu Extended Westerlund 1 and 2 Open Clusters Survey (EWOCS). Jest to wielki międzynarodowy program, który łączy dane Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, obserwatorium rentgenowskiego Chandra i innych instrumentów, aby w szczegółach zbadać najbardziej masywne młode gromady w naszej galaktyce – Westerlund 1 i Westerlund 2.

EWOCS został pomyślany z kilkoma kluczowymi celami. Po pierwsze, chce określić całościowy rozkład mas gwiazd i obiektów podgwiezdnych w tych gromadach, od najbardziej masywnych gwiazd do brązowych karłów. Po drugie, zamiarem jest zidentyfikowanie i scharakteryzowanie dysków protoplanetarnych w tak ekstremalnym otoczeniu, w którym silne promieniowanie i wiatry masywnych gwiazd stale zmieniają lokalny „klimat”. Po trzecie, projekt dąży do śledzenia, jak interakcje między gwiazdami a środowiskiem – promieniowanie, szoki, grawitacyjne bliskie przeloty – odbijają się na ewolucji samych gwiazd i ich układów.

Dla Westerlund 1, EWOCS dostarczył już szczegółowy katalog źródeł rentgenowskich i spektakularne zdjęcie Webba, które pokazuje jądro supermasywnej gromady z tysiącami gwiazd o różnych masach. To samo podejście jest teraz stosowane do Westerlund 2, przy czym obserwacje podczerwone Webba (w tym dedykowany program JWST na Westerlund 2) są pomyślane tak, by dosięgnąć i najciemniejszych, niskomasywnych członków gromady, ale też by uwydatnić dyski i struktury gazu.

Oprócz tego, że produkuje imponujące zdjęcia dla publiczności, EWOCS generuje też obszerne dane katalogowe – pozycje, jasności, widma i inne parametry tysięcy źródeł. Dane te umożliwiają badania statystyczne, które w nadchodzących latach odpowiedzą na szereg pytań: ile brązowych karłów rodzi się w takich supermasywnych gromadach, jak długo przeżywają dyski w pobliżu masywnych gwiazd, jaka jest wewnętrzna dynamika gromady i jak to wszystko wpływa na szanse na powstanie planet.

Powiązanie z Hubble'em, Chandrą i przyszłymi misjami

Westerlund 2 nie jest nowym obiektem dla astronomów – ale Webb nadaje mu całkiem nowy wymiar. Hubble jeszcze w 2015 roku opublikował słynne zdjęcie Westerlund 2 i mgławicy Gum 29 z okazji własnej 25. rocznicy, przedstawiając „gwiezdny fajerwerk” w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Obserwatorium rentgenowskie Chandra uzupełniło obraz w zakresie wysokoenergetycznym, odkrywając, jak wiele młodych i masywnych gwiazd lśni także w promieniach X, razem z dyfuzyjną emisją gorącego gazu między nimi.

Teraz Webb wszystkie te informacje łączy i rozszerza w podczerwieni, zakresie, w którym gwiazdy z dyskami, brązowe karły i ciepły zapylony gaz są najłatwiej dostrzegalne. W połączeniu z danymi Hubble’a i Chandry astronomowie mogą zbudować niemal „wielowarstwową” mapę Westerlund 2: światło widzialne pokazuje oświetlone powierzchnie obłoków, promieniowanie podczerwone odkrywa ukryte młode gwiazdy i dyski, a promieniowanie rentgenowskie mówi o najbardziej energicznych procesach i szokach.

Takie wielokrotne porównania będą miały daleko idące konsekwencje także dla przyszłych misji. Westerlund 2 służy jako próbka referencyjna do zrozumienia gromad gwiezdnych w innych galaktykach, które Webb już obserwuje w podczerwieni, ale jako drobne, ledwo rozdzielcze kropki. Znając szczegółowo, jak wygląda „od środka” jedna lokalna, ale ekstremalna gromada, astronomowie będą mogli lepiej interpretować sygnały ze znacznie odleglejszych obiektów we wczesnym wszechświecie.

Westerlund 2 jako okno w przeszłość Drogi Mlecznej

Westerlund 2 i jego „bliźniaki” takie jak Westerlund 1 reprezentują typ otoczenia, o którym uważa się, że był powszechny we wczesnej historii Drogi Mlecznej. W tamtym czasie galaktyka doświadczała okresów intensywnego tworzenia się gwiazd, tworząc supermasywne gromady, w których gęstość gwiazd i poziom promieniowania były znacznie wyższe niż w większości dzisiejszych gromad otwartych.

Zrozumienie, jak gwiazdy i planety formują się i przeżywają w takich warunkach, pomaga odpowiedzieć na pytania takie jak: na ile w ogóle powszechne jest, by układy planetarne podobne do naszego Układu Słonecznego powstały i przetrwały w galaktyce? Jeśli większość gwiazd powstaje w gromadach podobnych do Westerlund 2, to znaczna część potencjalnych planet jest na starcie narażona na gwałtowne warunki, które mogą ograniczyć ich długowieczność i stabilność.

Westerlund 2 umożliwia również testowanie teorii o tym, jak masywne gwiazdy rodzą się i umierają. W tak gęstych środowiskach możliwe są bliskie interakcje i łączenie się gwiazd, co może prowadzić do tworzenia niezwykle masywnych obiektów i, w końcu, bardzo silnych supernowych lub nawet czarnych dziur o większych masach niż w przeciętnych przypadkach. Szczegółowe dane podczerwone Webba pomogą zidentyfikować najbardziej masywne i najlepiej rozwinięte gwiazdy w gromadzie, jak i ich interakcje z otaczającym gazem.

Dla astronomów zajmujących się ewolucją galaktyk na skalach kosmicznych, Westerlund 2 reprezentuje lokalny „model” środowiska typu starburst – obszaru niezwykle intensywnego tworzenia się gwiazd. Poprzez porównanie z odległymi galaktykami starburst, Webb umożliwia, by obraz makroskopowy (globalne tempo formowania się gwiazd i podczerwone migotanie całej galaktyki) porównać z obrazem mikroskopowym (poszczególne gromady, dyski i brązowe karły).

Kosmiczny widok dla publiczności, skarbnica danych dla nauki

Chociaż ten „błyszczący fajerwerk karłowatych gwiazd” dla wielu pozostanie przede wszystkim wizualną przyjemnością, za nim stoi ogromna ilość danych i z góry zaplanowanych celów naukowych. Każdy piksel zdjęcia powstał z szeregu obserwacji w różnych filtrach, złożonych kalibracji i starannego przetwarzania. Dane są następnie zamieniane w katalogi z pozycjami, jasnościami i kolorami tysięcy gwiazd oraz w widma i dodatkowe produkty, które umożliwiają szczegółowe analizy.

Dla naukowców to zdjęcie to tylko początek – swoista strona tytułowa obszernych katalogów i prac, które nastąpią. W nadchodzących latach oczekiwane są szczegółowe studia funkcji masy w Westerlund 2, prace o rozwoju dysków w ekstremalnych warunkach, analizy struktury mgławicy Gum 29, ale też porównania z innymi gromadami w Drodze Mlecznej i poza nią. Westerlund 2, który już uświetnił 25. rocznicę Hubble’a, teraz staje się też jednym z wizualnie najbardziej imponujących symboli zdolności Webba do ujawnienia ukrytych warstw naszego kosmosu.

Dla szerszej publiczności ostatnie zdjęcie miesiąca Webba w 2025 roku dostarcza też nieco głębszego przypomnienia: za każdą lśniącą gwiazdą w nocy kryje się cała historia powstania i ewolucji, w dużej mierze ukształtowana przez otoczenie, w którym ta gwiazda się urodziła. Westerlund 2 pokazuje, jak bardzo to otoczenie może być dramatyczne – i ile wiedzy potrzeba, byśmy je naprawdę zrozumieli.