Космический год Джеймса Уэбба: десять знаковых фотографий
Основное астрономическое событие 2022 года — это запуск и ввод в эксплуатацию космической обсерватории имени Джеймса Уэбба. Представляем подборку из десяти знаковых изображений нового телескопа, сделанных им за этот год. Среди них снимки глубокого космоса — отдалённые галактики и галактические скопления, области звёздообразования в нашей Галактике, изображение гигантской планеты Солнечной системы в инфракрасном свете, а также — калибровочные изображения телескопа, которые использовались для юстирования его зеркал.
Инфракрасная космическая обсерватория имени Джеймса Уэбба запущена в космос 25 декабря 2021 года. Полностью её ввели в эксплуатацию в июле 2022 года. С этого времени телескоп JWST (James Webb Space Observatory) добился примечательных результатов, достичь которых более ранним инструментам было не под силу, — например, исследовал молекулярный состав атмосферы экзопланет и сфотографировал галактики, возникшие вскоре после Большого Взрыва. Новый телескоп обычно сравнивают с «Хабблом», который находится на орбите уже около тридцати лет, хотя у них есть ключевое различие: «Хаббл» работает в оптическом, а «Джеймс Уэбб» — в инфракрасном диапазоне. Кроме того, телескоп Hubble находится на околоземной орбите, на высоте 540 километров над поверхностью. Расстояние же от Земли до обсерватории Джеймса Уэбба составляет полтора миллиона километров — в несколько раз дальше, чем расстояние до Луны. Он находится вблизи одной из точек Лагранжа системы Земля—Солнце, что позволяет уменьшить затраты топлива на обеспечение устойчивости орбиты (подробнее об этом можно прочитать в других материалах, например, здесь). На таком расстоянии обсерватории не мешает инфракрасное излучение от поверхности Земли.
Из-за расширения Вселенной длины волн излучения от отдалённых объектов, в частности, галактик, смещаются в красную сторону. Спектр галактик на расстояниях в миллиарды световых лет смещён в сторону инфракрасных длин волн настолько, что на видимую часть практически не остаётся ничего — такие объекты нужно изучать только при помощи обсерваторий инфракрасного диапазона. Это относится и к самым ранним источникам света, возраст которых уже сопоставим с возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет. Неудивительно, что основное задание новой обсерватории — охота за ранними галактиками. Но также он занимается исследованием атмосфер экзопланет и структур молекулярно-пылевых облаков поблизости, то есть объектов, которые лучше видны в инфракрасном спектре. Ниже — несколько примечательных снимков нового телескопа, сделанных в уходящем году.
1. «Настроечная таблица» телескопа
Зеркала телескопа Джеймса Уэбба в течение нескольких лет настраивали в земной лаборатории, но такой прецизионный инструмент после вывода на орбиту и охлаждения всё равно требует настройки и юстирования своих составных частей уже на месте. Основная задача здесь — развернуть и симхронизировать все 18 сегментов главного зеркала телескопа. Причём подгонка этих зеркал друг к другу должна быть выполнена с точностью доли характерной длины волны (это микроны и доли микрон). В марте 2022 года NASA выпустило первый снимок телескопа, центрированный на определённой звезде, с полностью откалиброванными зеркалами. Сама рядовая звезда не представляет особого интереса для астрономов, и опубликованный снимок был калибровочным, но астрономы тут же сравнили его с имеющимися изображениями этого участка неба, отметив преимущества нового телескопа. Про процедуру калибровки зеркал Джеймса Уэбба можно прочитать в отдельной заметке — она написана ещё до того, как все зеркала удалось сфокусировать в одну точку.
2. Spitzer или James Webb?
Это также один из ранних снимков обсерватории, сделанный после юстирования и фокусировки всех камер. На нём видно, насколько JWST превосходит возможности предыдущих космических телескопов схожего назначения.
Слева — изображение инфракрасного телескопа Spitzer — космической обсерватории, недавно завершившей работу на орбите по естественным причинам — из-за исчерпания запасов хладагента на борту. Зеркало этого телескопа имеет диаметр 85 см. Справа — изображение с камеры среднего инфракрасного диапазона MIRI телескопа Джеймса Уэбба (главное зеркало телескопа имеет диаметр 6,5 м). На снимках можно увидеть разницу в разрешении, а также в возможности зафиксировать тусклые объекты. Так, на изображении JWST видны сотни галактик, которые на снимке телескопа Spitzer просто тонули в шумах. Здесь для сравнения показан один и тот же небольшой участок объекта под названием «Столпы Творения» — об этом объекте в туманности Орла мы расскажем ниже.
3. Первый снимок галактического скопления
Скопление галактик с обозначением SMACS J0723.3—7327 выбрали в качестве первого цветного изображения нового телескопа, представленного общественности. На снимке можно различить сотни галактик разнообразной формы и цвета. Скопление находится на расстоянии 4 миллиарда световых лет. Его масса также работает как гравитационная линза, искривляющая путь света от фоновых объектов — ещё более удалённых галактик. Галактики заднего плана здесь видны в искажении — как отрезки дуг и линии из-за гравитационного линзирования со стороны «ближнего» скопления SMACS J0723.3—7327 на луче зрения. Кластер уже фотографировал телескоп Hubble, но на снимках JWST в ближнем инфракрасном диапазоне можно разглядеть много дополнительных деталей, включая сотни галактик, которые не видел «Хаббл» — они были для него или слишком тусклыми, или слишком «красными», то есть из-за красного смещения находились вне его спектрального диапазона.
4. Квинтет Стефана
Квинтет Стефана — это живописная группа галактик в созвездии Пегаса. Собственно скопление составляют только четыре из пяти объектов квинтета, пятая галактика находится на луче зрения. Скопление представляет интерес для астрономов, потому что оно позволяет изучать гравитационное взаимодействие галактик, находящихся на пути к столкновению.
Как обычно, снимок сравнили с аналогичной фотографией «Хаббла». Снимок Джеймса Уэбба (справа) сделан в среднем инфракрасном диапазоне. Также на врезке показан увеличенный кадр с небольшой фоновой галактикой, тоже в сравнении кадров «Хаббла» и JWST. На снимке «Хаббла» различимы несколько ярких регионов звёздообразования, но кадр телескопа Джеймса Уэбба позволяет увидеть полную структуру этой и соседних галактик в поле камеры.
Это изображение, как и предыдущий снимок галактического скопления, также выбрали для публикации в июле этого года первых пяти снимков телескопа Джеймса Уэбба. Подробнее про них можно прочитать в отдельной статье.
5. «Столпы творения»
Структура под названием «Столпы Творения» (Pillars of Creation), снятая в 1995 году впервые «Хабблом» — это один из самых известных снимков в истории астрономии. На нём видна область звёздообразования в туманности Орла, где межзвёздные пыль и газ поставляют материал для рождения новых горячих звёзд. Снимок справа сделан с камеры JWST ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), и он позволяет разглядеть сквозь газопылевое облако объекты, находящиеся непосредственно в нём (как правило, это недавно родившиеся звёзды или протозвёзды) или за ним. Подробнее про новый взгляд телескопа на «Столпы Творения» можно прочитать в другой заметке.
6. Протозвезда и «песочные часы»
На этом снимке видно рождение звезды. «Песочные часы» — это облако пыли и газа, окружающее будущую звезду. Протозвезда имеет обозначение L1527, на небесной сфере она находится в созвездии Тельца, а удалена от Солнечной системы на 460 световых лет. Этот «аккреционный диск» падающего на будущую звезду материала виден только в инфракрасном диапазоне. Сама протозвезда — это тёмная полоса на «шейке» песочных часов. С течением времени она соберёт достаточно материала для начала термоядерной реакции сжигания водорода, и тогда можно будет говорить о появлении новой звезды на небе. Тем временем свет от рождающейся звезды освещает газ над и под диском, отсюда и форма светящегося облака в виде двух конусов, то есть «песочных часов». Предыдущий снимок этой структуры сделал космический телескоп Spitzer — это изображение размещено на врезке.
7. Юпитер в инфракрасном свете
Кроме «основной» задачи телескопа JWST, то есть фотографировании удалённых галактик с возрастом, сопоставимым с возрастом Вселенной, телескоп исследует и гораздо более близкие и мелкие объекты. Например, Марс и Юпитер. Телескоп не может рассматривать Землю, а также внутренние планеты Солнечной системы, поскольку они всегда находятся по отношению к нему со стороны Солнца. Зато он может делать снимки её внешних объектов, направив камеру в сторону от Солнца. На снимке Юпитера в ближнем инфракрасном диапазоне чётко видна структура его облачного покрова и атмосферы. Кроме того, вблизи полюсов можно увидеть юпитерианские полярные сияния. Этот снимок сравнительно близкого объекта трудно получить, во-первых, из-за перемещения планеты на фоне далёких звёзд, и во-вторых, из-за её быстрого вращения вокруг оси. Подробнее про этот кадр см. другую статью.
8. Галактика-фантом
На снимке — объект M74, или галактика под названием «Фантом». Снимок показывает, как телескоп Джеймса Уэбба можно использовать не только как самостоятельную обсерватории, но и дополнение к другим научнм инструментам. На средней панели — комбинированное изображение от телескопа Джеймса Уэбба в инфракрасном и «Хаббла» в видимом диапазоне. На сводном снимке видно, как связаны области звёздных скоплений (оптический диапазон «Хаббла») и газопылевые структуры (которые видит новый телескоп). Основной массив научного инструментария JWST разработан для комбинирования со снимками «Хаббла» оптического диапазона, а также другими уже действующими космическими и наземными телескопами.
9. Самая далёкая галактика
Основной объект интереса всего этого кадра можно разглядеть только на врезке. Это — далёкая галактика, и она видна здесь как небольшая красноватая точка в центре. Она появилась через 350 миллионов лет после возникновения Вселенной, на что указывает величина космологического красного смещения (z=12,5). Вероятно, это одна из самых ранних галактик, которые возникли тогда, когда во Вселенной стало вообще возможным образование таких звёздных структур. К кадру нет парного снимка «Хаббла»: на этом участке неба он бы не увидел ничего, поскольку из-за красного смещения свет от этой древней галактики полностью находится в инфракрасной области за пределами его зрения.
10. Галактическая мозаика
Комбинированный снимок представляет собой мозаику — множество склеенных вместе отдельных изображений разных частей гигантской структуры — галактического скопления под названием Abell 2744. Этот объект ещё неофициально называют скоплением Пандоры. Он находится в южном небе, в созвездии Скульптора, и удалён на четыре миллиарда световых лет. Само скопление — составное: оно складывается из как минимум четырёх более мелких скоплений галактик, а структура возникла из-за их практически «одновременного» столкновения между собой (на протяжении 350 миллионов лет). На снимке есть несколько звёзд, попавших на линию зрения, но большинство объектов-точек — это далёкие галактики.
