Космос без границ. Что видит новый телескоп Джеймса Вебба (много фото!)

Внимание! В этом материале много картинок, но смотреть их в низком разрешении, да еще на экране смартфонов — по меньшей мере неуважительно по отношению к десятилетиям работы ученых и инженеров, благодаря которым у нас есть эти снимки. Главное преимущество телескопа Вебба — в высоком разрешении и высокой детализации. Поэтому у всех картинок в этой статье имеются ссылки на изображения в среднем и полном разрешении. Они весят много, но совершенно точно стоят того, чтобы их загрузить и рассматривать.  

25 декабря 2021 года состоялся успешный запуск Космического Телескопа имени Джеймса Вебба. После запуска примерно три месяца ушло на то, чтобы развернуть солнцезащитные экраны и зеркала, остудить аппаратуру и вывести телескоп на рабочую орбиту вокруг так называемой точки Лагранжа L2. Это место, в котором гравитация Солнца и Земли складывается и точно уравновешивает центробежную силу вращения. А так как Земля всегда находится между этой точкой и Солнцем, то там ее тень защищает от солнечного тепла чувствительные приборы, работающие при температуре близкой к абсолютному нулю. Но орбита вокруг точки L2 не может быть полностью стабильной: время от времени положение телескопа приходится исправлять, ненадолго включая ненадолго двигатели.  Именно запас топлива, необходимого для корректировки орбиты, определяет срок службы «Вебба». Без топлива телескоп сойдет с орбиты и станет неуправляемым. К счастью, полет к месту назначения прошел настолько эффективно и точно, что  топлива было израсходовано меньше запланированного. Это значит что телескоп проработает не 10 лет, как предполагалось, а 20. 

После выхода на орбиту еще три месяца понадобилось для калибровки приборов. Первые же снимки показали, что их чувствительность и качество изображения превосходят самые оптимистичные ожидания. 12 июля 2022 года были опубликованы первые полученные на телескопе полноцветные изображения и спектроскопические данные. С тех пор прошло уже более полугода: за это время «Вебб» сделал много уникальных изображений космоса. Давайте полюбуемся ими, и попробуем понять, чем именно они интересны.

Разные космические объекты светятся на разных длинах волн: чем горячее объект, тем выше частота колебаний и меньше длина волны. А для улавливания волн разной длины нужны инструменты разного размера и конструкции. Все их сразу в космос не запустишь, поэтому и существуют разные обсерватории — как наземные, так и космические. «Джеймс Вебб» задумывался как наследник телескопа Хаббла, но с момента запуска «Хаббла» стало понятно, что многое, например, далекие галактики или молодые звезды, на самом деле оказывается лучше видно в инфракрасном диапазоне, нежели в обычном.

Дело в том, что далекие галактики, по которым можно узнать о ранней истории Вселенной, хотя и светятся в видимом диапазоне, но за миллиарды лет пространство, через которое идет к Земле их свет, расширяется, «растягивая» электромагнитную волну и превращая видимый свет в инфракрасный. А еще инфракрасный свет лучше видимого проходит сквозь облака газа и пыли, в центрах которых рождаются молодые звезды. Поэтому «Вебб» сделали инфракрасным телескопом: его основные объекты изучения — близкие и далекие галактики, туманности, в которых рождаются новые звезды, а также экзопланеты и далекие тела солнечной системы.

Глубокое поле

Телескоп Хаббла больше всего прославился серией изображений под общим названием «Глубокое поле». Чтобы их получить, телескоп в течение многих дней собирал свет с абсолютно пустого на первый взгляд участка неба. Но полученные изображения не были пустыми — на самом деле, на них были видны самые далекие и древние галактики, которые на тот момент смог увидеть человек.  

Перед вами две картинки – «Ультра-глубокое поле», сделанное «Хабблом» в 2003 году (общее время экспозиции — 12 дней), и «Первое глубокое поле», сделанное «Веббом». На этих фотографиях — около 10 000 галактик, а самые далекие из них мы видим такими, какими они были спустя всего полмиллиарда лет после рождения Вселенной (13.3 млрд лет назад).

Первое «Глубокое поле» Вебба было снято всего за 12 часов, но с легкостью превзошло результат «Хаббла». В центре этого изображения, на «пять часов» от ярко-голубой звезды с шестью лучами, видно яркое белое скопление галактик SMACS 0723, масса которых изгибает пространство и образует гравитационную линзу. То есть искривленное пространство работает как лупа, концентрируя и усиливая свет от далеких галактик, благодаря чему их становится лучше видно. Впрочем, эта же линза искажает изображение: как видите, оранжевые галактики в центре вытянуты дугами, а некоторые из них даже двоятся — мы видим свет одной и той же галактики, который обошел скопление с разных сторон, но был завернут гравитацией и пришел в зеркало телескопа в двух местах.

Возраст самой древней галактики, снятой «Хабблом», оценивали в 400-420 млн лет от Большого Взрыва. Однако на первом же глубоком снимке «Вебба» была обнаружена галактика, которая образовалась на 150 млн лет раньше. Еще одно открытие —обнаружение галактик со сложной спиральной структурой, которые образовались всего через 1,5 млрд лет после Большого Взрыва. Раньше считалось, что на образование таких структур надо гораздо больше времени, примерно около 3 млрд лет. Все это говорит о том, что наши представления о формировании галактик и эволюции ранней Вселенной по-прежнему несовершенны, и их есть куда развивать.

Ультраглубокое поле Хаббла в среднем разрешении
Ультраглубокое поле Хаббла в полном разрешении
Первое глубокое поле Вебба в среднем разрешении
Первое глубокое поле Вебба в полном разрешении 

Южная кольцевая туманность

Одна из ближайших к Земле туманностей —  Южная кольцевая — находится на расстоянии около 2 000 световых лет. Большинство звезд (кроме самых массивных), когда их топливо подходит к концу, не взрываются сверхновыми, а начинают расширяться и сжиматься, когда ядерные реакции в них то останавливаются, то вновь запускаются. При этом они сбрасывают внешние слои газа до тех пор, пока не превращаются в сделанную из сброшенных оболочек туманность с ярко светящимся белым карликом в центре.

На картинках ниже можно увидеть разницу между основными инструментами «Вебба». Изображение слева получено с помощью прибора NIRCam, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне, больше похожем на видимый свет. На ней хорошо видна структура внешних слоев туманности, которые светятся, нагреваемые излучением из центра. Картинка справа получена с помощью прибора MIRI, который работает в среднем инфракрасном диапазоне. Эти волны длиннее, поэтому изображение более размыто, зато средние инфракрасные волны проходят сквозь пыль, благодаря чему можно увидеть два источника света в центре туманности: белый карлик (слева), плотное раскаленное ядро умершей звезды, внешние оболочки которой образовали туманность, и яркая бело-голубая звезда (справа), которая продолжает вращаться вокруг карлика, помогая «размешивать» сброшенные слои газа. 

Южная кольцевая туманность в среднем разрешении
Южная кольцевая туманность в полном разрешении

Космические утесы в Туманности Киля

На краю молодой Туманности Киля располагается область звездообразования, которую за визуальное сходство со скалистыми вершинами прозвали «космическими утесами». Этот регион находится на краю огромной полости, которую видно вверху картинки. Ее сформировало мощное ультрафиолетовое излучение гигантских молодых звезд, которые располагаются сверху, за краем картинки. Период очень раннего звездообразования трудно исследовать, потому что для каждой конкретной звезды он длится не больше 100 000 лет, а сама звезда скрыта облаками газа и пыли, из которых образуются новые звезды. Но, благодаря непревзойденной чувствительности «Вебба», мы теперь увидим сотни ранее невидимых звезд, которые могут многое рассказать о процессах своего формирования.

"Космические утесы" в среднем разрешении
"Космические утесы" в полном разрешении

Галактика «Колесо Телеги»

Когда американский астрофизик Фриц Цвикки открыл эту галактику в 1941 году, он назвал ее «одной из самых сложных структур». Вместо обычной спиральной структуры эта галактика состоит из малого и большого колец, соединенных изогнутыми «спицами». Считается, что галактика сформировалась после высокоскоростного столкновения двух других галактик: малая прошла сквозь большую под прямым углом, разрушив ее спиральную структуру, после чего малая галактика образовала центральную «ось», а остатки большой сформировали внешнее «колесо». Это произошло около 400 миллионов лет назад, что неожиданно — согласно современным моделям газовой динамики в галактиках этого времени не должно было хватить, чтобы спиральные «спицы» успели снова сформироваться. 

Галактика "Колесо Телеги" в среднем разрешении
Галактика "Колесо Телеги" в полном разрешении 

Туманность «Тарантул»

Еще одна очень красивая туманность, в которой видны новые области звездообразования, ранее скрытые космической пылью. В центре — скопление светло-голубых молодых звезд. Слева и сверху от них — более старая яркая звезда, с шестью дифракционными лучами (они появляются из-за шестигранной структуры зеркал телескопа). Над яркой звездой можно увидеть «пузырь» в облаке туманности — его образуют недавно родившиеся звезды, сдувающие своим излучением окружающий их газ. Газ собирается в новые облака, а в них под действием гравитации рождаются новые звезды. Спектроскопическое изучение звезд и газа позволит астрономам лучше определить возраст туманности и то, сколько в ней родилось поколений звезд.

Туманность "Тарантул" в среднем разрешении
Туманность "Тарантул" в полном разрешении 

Протозвезда L1527

Тему рождения новых звезд продолжает изображение протозвезды формирующейся в молекулярном облаке L1527. Протозвезда – это облако газа с очень плотным центром, которое сжимается силой собственной гравитации. Когда его центр сожмется и разогреется настолько, что там начнется термоядерный синтез, протозвезда станет звездой. На снимке хорошо видны области над полюсами протозвезды, которые расчистило выбрасываемое ею вещество. На картинке эти области расположены слева и справа и ограничены более горячими голубыми и оранжевыми областями. В верхней ее части видны пузыри и нитевидные сгущения газа, которые образованы спорадическими выбросами вещества самой звезды. Область снизу выглядит более голубой, потому что в ней меньше пыли, поглощающей высокоэнергетическое излучение.

Протозвезда L1527 в среднем разрешении
Протозвезда L1527 в полном разрешении

Экзопланеты и тела Солнечной системы

Несмотря на то, что «Вебб» предназначен в основном для изучения экзопланет, то есть планет, находящихся в других звездных системах, их изображения получить невозможно: экзопланеты слишком маленькие, находятся слишком далеко и не светятся собственным светом. Единственное, что можно сделать — это сравнить спектр излучения звезды с ее же спектром в тот момент, когда между звездой и телескопом проходит планета. По тому, какие длины волн ослабнут в момент прохождения, можно определить, какие вещества в атмосфере планеты поглощают свет. Таким образом, например, ученые определили, что в атмосфере экзопланеты WASP-39b, похожей на Юпитер, есть вода, оксиды углерода и серы, а также некоторые металлы. Таким же образом планируется изучать атмосферы планет более похожих на Землю. Если их состав окажется похожим на земной, это будет указывать на возможность существования на них жизни. Зато с помощью «Вебба» можно намного лучше рассмотреть планеты Солнечной системы. Один из наиболее впечатляющих примеров — фотография Юпитера, на которой во всех подробностях видны слои, вихри и ураганы в его атмосфере, а также разноцветные авроры на его полюсах.

Фотография Юпитера в высоком разрешении