Posljednja ovogodišnja slika mjeseca svemirskog teleskopa James Webb u režiji ESA-e donosi prizor koji izgleda kao božićna razglednica iz dubina Mliječne staze: mladi zvjezdani skup Westerlund 2, uronjen u užarene oblake maglice Gum 29, ispunjava kadar tisućama blještavih zvijezda i složenim strukturama plina i prašine. U jednom kadru spojena je estetika i znanost – vizualno spektakularna kozmčka “vatrometna predstava” i iznimno bogat laboratorij za proučavanje nastanka zvijezda, smeđih patuljaka i protoplanetarnih diskova.

Westerlund 2 nalazi se oko 20 000 svjetlosnih godina od Zemlje u južnom zviježđu Kobilice (Carina). Riječ je o iznimno mladom, tek oko dvije milijuna godina starom skupu, smještenom u golemi područje stvaranja zvijezda poznato kao Gum 29. U tom kaotičnom okruženju, u kojemu masivne zvijezde svojim zračenjem i vjetrovima “izrezbaruju” okolnu maglicu, Webb sada prvi put u infracrvenom području pokazuje gotovo cjelokupnu populaciju zvijezda i subzvjezdanih objekata, od najmasivnijih gorostasa pa sve do najmanjih smeđih patuljaka čija je masa tek oko deset puta veća od mase Jupitera.

Nova slika nastala je kombiniranjem podataka Webbovih instrumenata NIRCam (Near-Infrared Camera) i MIRI (Mid-Infrared Instrument). NIRCam u području bliskog infracrvenog zračenja bilježi mlade zvijezde koje probijaju prašinu, dok MIRI u srednjem infracrvenom otkriva užareni prašnjavi plin i slojeve toplog materijala u kojima se rađaju planeti. Zajedno daju slojevitu, gotovo trodimenzionalnu sliku zvjezdane “kolijevke” u punom pogonu.

Vatromet zvijezda u srcu maglice Gum 29

U gornjem dijelu Webbove slike dominira zbijeni skup mladih, iznimno masivnih zvijezda – samo srce Westerlunda 2. Mnoge od njih spadaju među najtoplije i najsjajnije zvijezde poznate u Mliječnoj stazi, a dio sustava vjerojatno su i zvijezde tipa Wolf–Rayet, koje već pokazuju snažne zvjezdane vjetrove i bogat spektar emisijskih linija. Njihovo intenzivno ultraljubičasto zračenje i vjetrovi doslovno “pjeskare” okolni plin, gurajući ga u valove, stijene i stupove koji okružuju jezgru skupa.

Skup Westerlund 2 proteže se otprilike 6 do 13 svjetlosnih godina u promjeru i sadrži oko nekoliko tisuća zvijezda, od divovskih vrućih O-zvijezda do mnoštva slabijih, tek nastalih zvijezda niže mase. Budući da je skup vrlo mlad, gravitacijski se još nije uspio “rasuti” po galaksiji; sve zvijezde još uvijek su relativno gusto sabijene u istom području. Upravo ta gustoća i mladost čine Westerlund 2 idealnim prirodnim laboratorijem za proučavanje procesa kojima se formiraju zvijezde i planeti u najekstremnijim uvjetima.

Maglica Gum 29, u kojoj se skup nalazi, golemi je mjehur ioniziranog vodika i prašine. Na Webbovoj slici zidovi tog mjehura prikazani su kao valovite, razlomljene strukture u nijansama narančaste i crvene, dok tanji, rjeđi slojevi materijala prelaze u mekše plave i ružičaste tonove. Zračenje zvijezda iz Westerlunda 2 prožima cijelu scenu, osvjetljavajući rubove oblaka poput zalazećeg Sunca koje oboji rubove kopnastih oblaka na Zemlji.

Na isti prizor još prije desetak godina podsjetila je i slavna Hubbleova slika objavljena povodom 25. obljetnice tog teleskopa. Hubble je tada u vidljivom i bliskom infracrvenom području pokazao vatromet oko tri tisuće mladih zvijezda i kaotične oblake plina. Međutim, Webbovi instrumenti mogu zaviriti još dublje kroz prašinu i razotkriti i one, mnogo slabije izvore svjetla koje Hubble nije mogao jasno razlučiti – osobito hladnije, niskomasivne zvijezde i smeđe patuljke koji se skrivaju u sjenama oblaka.

Šestokrake zvjezdane iskre i žareći zidovi plina

Vizualni dojam Webbove slike Westerlunda 2 na prvi pogled može zavesti: na nebu se čini kao da su sve zvijezde dio istog skupa. No mnoge od najblještavijih zvijezda sa spektakularnim šesterokrakim difrakcijskim “pahuljama” zapravo se nalaze mnogo bliže Zemlji. To su zvijezde iz našeg spiralnog kraka Mliječne staze, čija se svjetlost posebno naglašeno lomi na geometriji Webbovih zrcala i nosača, stvarajući prepoznatljiv uzorak šiljaka.

Pravi članovi Westerlunda 2 većinom su mnogo slabiji, ali ih je u Webbovom infracrvenom pogledu iznenađujuće mnogo. U središnjem dijelu slike vidimo zbijeni skup sitnih, šiljastih točkica – mlade zvijezde na glavnom nizu i pre-main-sequence objekti, koji tek završavaju fazu nastanka. Neke od njih još su utonule u male kokone plina i prašine, vidljive kao zgužvani, gusti “čvorići” u inače prozračnijim oblacima.

Ispod i oko glavnog skupa ističu se veliki, gotovo kiparski oblikovani zidovi i stupovi plina. To su zone u kojima je oblake već erodiralo zračenje najmasivnijih zvijezda; rubovi tih struktura osvijetljeni su poput oboda oblaka na zalasku Sunca, ali u infracrvenom, pa boje prelaze od tamno crvene do svijetlo narančaste. U tim se rubnim slojevima nalaze i gusti stupovi i “prsti” materijala koji štite unutarnja, još hladnija gnijezda zvijezda od najjačeg zračenja.

U tanjim dijelovima maglice, između gušćih oblaka, infracrveno zračenje prikazuje meke plavkaste i ružičaste nijanse – tragove rjeđeg plina i prašine koji lebde između dviju glavnih zona stvaranja zvijezda. Cijela slika tako funkcionira kao karta gustoće i temperature: topliji i gušći dijelovi sjaje u crvenijim tonovima, dok hladniji i rjeđi materijal prelazi u blaže, prozračnije boje.

Kako Webb “vidi” kroz prašinu: NIRCam i MIRI u tandemu

Ključ ovako detaljne slike leži u kombinaciji dvaju Webbovih glavnih kamera. NIRCam, kamera za blisko infracrveno područje, osjetljiva je na valne duljine od približno 0,6 do 5 mikrometara. Ona je glavni radni “konj” Webba za oštre slike mladih zvijezda i protuzvijezda, ali i alat kojim se teleskop izvorno kalibrirao i izoštravao. Zahvaljujući visokoj prostornoj razlučivosti i osjetljivosti, NIRCam može razlikovati pojedine zvijezde čak i u iznimno zbijenim skupovima poput Westerlunda 2, gdje se tisuće izvora svjetlosti nalaze gotovo “rame uz rame”.

MIRI, instrument za srednje infracrveno područje, radi na još većim valnim duljinama, otprilike od 5 do 28 mikrometara. U tom području zrači topli prašnjavi plin i čestice prašine zagrijane zvjezdanim zračenjem, kao i slojevi molekularnog plina u okolini mladih zvijezda i protoplanetarnih diskova. MIRI tako daje mapu iz kojih dijelova maglice stiže toplina i gdje se nalaze gusti, još uvijek aktivni džepovi materijala iz kojih zvijezde i planeti nastavljaju nastajati.

U prikazu Westerlunda 2 podaci NIRCam-a i MIRI-ja pažljivo su spojeni u jednu kompozitnu sliku. Odabrane su specifične infracrvene boje kako bi se naglasile razlike između vrućih, masivnih zvijezda, hladnijih, tek nastalih zvijezda male mase i oblaka plina i prašine. Iza estetski privlačnog rezultata stoji precizno znanstveno “kodiranje” boja, koje astronomima omogućuje da iz jedne slike iščitaju mnoštvo različitih fizikalnih informacija – od temperature i gustoće, do strukture i dubine oblaka.

Lov na smeđe patuljke: potpuni popis subzvjezdanih susjeda

Jedan od najvažnijih znanstvenih rezultata koji se krije iza ove slike jest prvi gotovo potpuni popis smeđih patuljaka u Westerlundu 2. Smeđi patuljci su objekti “između” zvijezda i planeta: dovoljno su masivni da se u njihovim jezgrama pokrene fuzija deuterija, ali nemaju dovoljno mase da održe stabilnu fuziju vodika poput pravih zvijezda. Zbog toga su vrlo tamni i hladni u optičkom području, pa ih je iznimno teško otkriti na velikim udaljenostima – osobito ako su skriveni iza oblaka prašine.

Upravo tu dolazi do izražaja Webbova osjetljivost u infracrvenom spektru. U Westerlundu 2, Webbovi podaci po prvi put otkrivaju čitav niz smeđih patuljaka u jednom iznimno masivnom mladom skupu, uključujući objekte čija je masa svega oko deset masa Jupitera. Takvi su objekti izvan dosega većine prethodnih instrumenata, pa su dosad bili praktički nevidljivi na ovim udaljenostima.

Popis tih subzvjezdanih članova klastera posebno je važan za razumijevanje tzv. početne funkcije mase – raspodjele masa kojom priroda “rodi” zvijezde i subzvjezdane objekte u različitim okruženjima. U mirnijim, manje gustim zvjezdanim rasadnicima, astronomi su već mogli proučavati kako se broj malih zvijezda i smeđih patuljaka uspoređuje s brojem masivnih zvijezda. No u ekstremnim, supermasivnim skupovima poput Westerlunda 2, gdje dominiraju vrlo masivne zvijezde i jaka radijacija, takve detaljne studije dosad su bile nemoguće.

Webbovi podatci sada omogućuju da se za Westerlund 2 odredi u kojoj mjeri ovo “ekstremno susjedstvo” potiče ili guši nastanak smeđih patuljaka. Ako se pokaže da je njihov broj sličan onome u mirnijim područjima, to bi upućivalo da priroda stvara subzvjezdane objekte sličnim tempom bez obzira na okruženje. No ako ih je znatno manje ili više, to bi značilo da okoliš – gustoća plina, turbulencija, zračenje – izravno mijenja način na koji se plin fragmentira i kolapsira u nove objekte.

Diskovi u opasnoj četvrti: gdje se rađaju i nestaju planeti

Uz smeđe patuljke, Webbovi podatci nadovezuju se i na višegodišnje Hubbleovo praćenje protoplanetarnih diskova u Westerlundu 2. Diskovi su plosnate, rotirajuće strukture plina i prašine koje okružuju mlade zvijezde; upravo u tim diskovima nastaju planetarni sustavi. Međutim, u sredini Westerlunda 2, gdje masivne zvijezde neprestano bombardiraju okolinu ultraljubičastim zračenjem i snažnim vjetrovima, diskovi su izloženi okruženju koje im prijeti raspršivanjem i isparavanjem.

Hubble je u trogodišnjem programu pokazao da diskovi zvijezda bližih središtu skupa gube materijal mnogo brže nego diskovi u perifernim zonama. Webb sada u infracrvenom području nastavlja tu priču: zahvaljujući osjetljivosti na toplu prašinu i molekularni plin, astronomi mogu identificirati nekoliko stotina zvijezda s diskovima u različitim fazama razvoja u cijelom klasteru, od gustih, još uvijek masivnih diskova do već prilično ogoljenih struktura na rubu opstanka.

Takva usporedba daje rijetku priliku da se izravno promatra kako okolina utječe na budućnost potencijalnih planetarnih sustava. U središtu Westerlunda 2, planeti – ako uopće nastanu – vjerojatno su izloženi jakom zračenju i čestim bliskim susretima sa susjednim zvijezdama. Rezultat mogu biti destabilizirane orbite, izbačeni planeti ili vrlo egzotični sustavi koji teško nalikuju na naš Sunčev sustav. Na rubovima skupa, gdje je okolina mirnija, diskovi imaju više vremena da se ohlade, sakupe prašinu i izgrade planete prije nego što ih okolni divovi razore.

Westerlund 2 stoga služi kao ekstremni testni poligon: pokazuje kako se nastanak planeta odvija u “lošem kvartu” galaksije, pod uvjetima koji vjerojatno nalikuju okruženjima u kojima su se u ranoj povijesti svemira rađale prve generacije zvijezda i planeta. Usporedbom s mirnijim, manjim skupovima astronomi mogu rekonstruirati koliko je naš Sunčev sustav bio “zaštićen” u odnosu na ovako nasilna područja.

EWOCS: veliki projekt mapiranja supermasivnih zvjezdanih skupova

Nova Webbova slika Westerlunda 2 dio je širih opažanja provedenih u okviru projekta Extended Westerlund 1 and 2 Open Clusters Survey (EWOCS). Riječ je o velikom međunarodnom programu koji kombinira podatke svemirskog teleskopa James Webb, rendgenskog opservatorija Chandra i drugih instrumenata kako bi se u tančine proučili najmasivniji mladi skupovi u našoj galaksiji – Westerlund 1 i Westerlund 2.

EWOCS je osmišljen s nekoliko ključnih ciljeva. Prvo, želi odrediti cjelovitu raspodjelu masa zvijezda i subzvjezdanih objekata u ovim skupovima, od najmasivnijih zvijezda do smeđih patuljaka. Drugo, namjera je identificirati i karakterizirati protoplanetarne diskove u tako ekstremnom okruženju, u kojemu snažno zračenje i vjetrovi masivnih zvijezda stalno mijenjaju lokalnu “klimu”. Treće, projekt nastoji pratiti kako se interakcije između zvijezda i okoliša – zračenje, šokovi, gravitacijski bliski prolazi – odražavaju na evoluciju samih zvijezda i njihovih sustava.

Za Westerlund 1, EWOCS je već isporučio detaljan katalog rendgenskih izvora i spektakularnu Webbovu sliku koja prikazuje jezgru supermasivnog skupa s tisućama zvijezda različitih masa. Isti pristup sada se primjenjuje i na Westerlund 2, pri čemu su Webbova infracrvena opažanja (uključujući namjenski JWST program na Westerlundu 2) osmišljena tako da dosegnu i najtamnije, niskomasivne članove skupa, ali i da istaknu diskove i strukture plina.

Osim što proizvodi impresivne slike za javnost, EWOCS generira i opsežne kataloške podatke – položaje, sjajeve, spektre i druge parametre tisuća izvora. Ti podaci omogućuju statističke studije koje će u idućim godinama odgovoriti na niz pitanja: koliko se smeđih patuljaka rađa u ovakvim supermasivnim skupovima, koliko dugo preživljavaju diskovi u blizini masivnih zvijezda, kakva je unutarnja dinamika skupa i kako sve to utječe na izglede za nastanak planeta.

Poveznica s Hubbleom, Chandrom i budućim misijama

Westerlund 2 nije novi objekt za astronome – ali Webb mu daje sasvim novu dimenziju. Hubble je još 2015. godine objavio slavnu sliku Westerlunda 2 i maglice Gum 29 povodom vlastite 25. obljetnice, prikazujući “zvjezdani vatromet” u vidljivom i bliskom infracrvenom području. Rendgenski opservatorij Chandra upotpunio je sliku u visokoenergetskom području, otkrivajući kako mnoge mlade i masivne zvijezde blistaju i u X-zrakama, zajedno s difuznom emisijom vrućeg plina između njih.

Sada Webb sve te informacije spaja i proširuje u infracrvenom, područje u kojem su zvijezde s diskovima, smeđi patuljci i topli prašnjavi plin najlakše uočljivi. U kombinaciji s Hubbleovim i Chandrinim podacima, astronomi mogu izgraditi gotovo “višeslojnu” kartu Westerlunda 2: vidljivu svjetlost prikazuje osvijetljene površine oblaka, infracrveno zračenje otkriva skrivene mlade zvijezde i diskove, a rendgensko zračenje govori o najenergičnijim procesima i šokovima.

Takve višestruke usporedbe imat će dalekosežne posljedice i za buduće misije. Westerlund 2 služi kao referentni uzorak za razumijevanje zvjezdanih skupova u drugim galaksijama, koje Webb već promatra u infracrvenom, ali kao sitne, jedva razlučive točkice. Poznavajući detaljno kako izgleda “iznutra” jedan lokalni, ali ekstreman skup, astronomi će moći bolje interpretirati signale iz mnogo udaljenijih objekata u ranom svemiru.

Westerlund 2 kao prozor u prošlost Mliječne staze

Westerlund 2 i njegovi “blizanci” poput Westerlunda 1 predstavljaju tip okruženja za koje se smatra da je bilo uobičajeno u ranoj povijesti Mliječne staze. U to doba galaksija je doživljavala razdoblja intenzivnog stvaranja zvijezda, stvarajući supermasivne skupove u kojima je gustoća zvijezda i razina zračenja bili mnogo viši nego u većini današnjih otvorenih skupova.

Razumijevanje kako se zvijezde i planeti formiraju i preživljavaju u takvim uvjetima pomaže odgovoriti na pitanja poput: koliko je uopće uobičajeno da planetarni sustavi nalik našem Sunčevom sustavu nastanu i opstanu u galaksiji? Ako većina zvijezda nastaje u skupovima sličnim Westerlundu 2, onda je značajan dio potencijalnih planeta u startu izložen nasilnim uvjetima koji mogu ograničiti njihovu dugovječnost i stabilnost.

Westerlund 2 također omogućuje testiranje teorija o tome kako se masivne zvijezde rađaju i umiru. U ovako gustim okruženjima moguće su bliske interakcije i spajanja zvijezda, što može dovesti do stvaranja iznimno masivnih objekata i, na kraju, vrlo snažnih supernova ili čak crnih rupa većih masa nego u prosječnim slučajevima. Webbovi detaljni infracrveni podaci pomoći će identificirati najmasivnije i najrazvijenije zvijezde u skupu, kao i njihove interakcije s okolnim plinom.

Za astronome koji se bave evolucijom galaksija na kozmičkim razmjerima, Westerlund 2 predstavlja lokalni “model” starburst okruženja – područja iznimno intenzivnog stvaranja zvijezda. Usporedbom s udaljenim starburst galaksijama, Webb omogućuje da se makroskopska slika (globalne stope formiranja zvijezda i infracrveno svjetlucanje cijele galaksije) usporedi s mikroskopskom slikom (pojedinačni skupovi, diskovi i smeđi patuljci).

Kozmički prizor za javnost, podatkovno blago za znanost

Iako će ovaj “blistavi vatromet patuljastih zvijezda” mnogima ostati ponajprije vizualni užitak, iza njega stoji golema količina podataka i unaprijed isplaniranih znanstvenih ciljeva. Svaki piksel slike nastao je niza opažanja u različitim filtrima, složenih kalibracija i pažljive obrade. Podaci se zatim pretvaraju u kataloge s položajima, sjajevima i bojama tisuća zvijezda, te u spektre i dodatne proizvode koji omogućuju detaljne analize.

Za znanstvenike, ova slika samo je početak – svojevrsna naslovnica opsežnih kataloga i radova koji slijede. U idućim godinama očekuju se detaljne studije funkcije mase u Westerlundu 2, radovi o razvoju diskova u ekstremnim uvjetima, analize strukture maglice Gum 29, ali i usporedbe s drugim skupovima u Mliječnoj stazi i izvan nje. Westerlund 2, koji je već obilježio Hubbleovu 25. obljetnicu, sada postaje i jedan od vizualno najdojmljivijih simbola Webbove sposobnosti da razotkrije skrivene slojeve našeg kozmosa.

Za širu javnost, Webbova posljednja slika mjeseca u 2025. godini pruža i nešto dublji podsjetnik: iza svake sjajne zvijezde u noći krije se čitava povijest nastanka i evolucije, uvelike oblikovana okolinom u kojoj je ta zvijezda rođena. Westerlund 2 pokazuje koliko ta okolina može biti dramatična – i koliko je znanja potrebno da bismo je doista razumjeli.