Kai kosmosas nustoja būti tik nuotrauka
Yra momentų, kai technologija padaro kažką tokio, kad net labiausiai skeptiškai nusiteikę žmonės sustoja ir tiesiog žiūri. James Webb kosminis teleskopas – arba tiesiog JWST, kaip jį vadina visi, kas bent kiek domisi astronomija – yra vienas iš tų retų atvejų, kai realybė pranoksta lūkesčius. Ir tai nėra perdėjimas.
Teleskopas, kuris kainavo beveik 10 milijardų dolerių ir kurį buvo planuojama paleisti dar 2007 metais (taip, vėlavo daugiau nei dešimtmetį), galiausiai atsidūrė kosmose 2021 metų gruodžio 25 dieną. Simboliška Kalėdų dovana žmonijai, jei norite. Ir nuo tada jis nuolat siunčia duomenis, kurie verčia mokslininkus perrašyti vadovėlius.
Šiame straipsnyje – ne sausi faktai apie infraraudonuosius spindulius ar veidrodžių skaičių. Čia kalbėsime apie tai, ką JWST iš tikrųjų rado ir kodėl tai svarbu ne tik astrofizikams, bet ir visiems, kas kada nors žiūrėjo į naktinį dangų ir galvojo: „O kas ten yra?”
Pirmosios nuotraukos, kurios sugriovė viską, ką manėme žinantys
2022 metų liepos 12 dieną NASA paskelbė pirmąsias oficialias JWST nuotraukas. Viena iš jų – SMACS 0723 galaktikų spiečius – tapo virusiniu interneto reiškiniu greičiau nei bet kokia katės nuotrauka. Ir suprantama kodėl: tai buvo giliausias infraraudonojo spektro vaizdas, kada nors gautas iš kosmoso. Vienoje mažoje dangaus dalyje – maždaug tokioje, kokią uždengtų smėlio grūdelis, laikomas rankoje ištiestos rankos gale – matosi tūkstančiai galaktikų. Kai kurios iš jų egzistavo vos 600 milijonų metų po Didžiojo sprogimo.
Bet tai buvo tik pradžia. Mokslininkai greitai suprato, kad kai kurios iš tų ankstyvųjų galaktikų yra… per didelės. Per brandžios. Pagal visus turimus modelius, tokios struktūros neturėjo suspėti susiformuoti taip greitai po Visatos gimimo. Tai tarsi rasti pilnai išaugusį ąžuolą ten, kur pagal visus dėsnius turėtų būti tik ką sudygęs gilė.
Astronomai tai vadina „masyvių ankstyvųjų galaktikų problema” – ir ji vis dar nėra išspręsta. Kai kurie siūlo, kad žvaigždžių formavimasis ankstyvoje Visatoje vyko daug greičiau nei manyta. Kiti – kad mūsų kosmologijos standartinis modelis turi rimtų spragų. Kaip bebūtų, JWST pirmomis savaitėmis jau sugebėjo sukelti tikrą galvos skausmą teorinės fizikos bendruomenei.
Egzoplanetos: kai atmosferos analizė tampa rutina
Vienas iš labiausiai praktiškai reikšmingų JWST pasiekimų – gebėjimas analizuoti egzoplanetų atmosferas su precedento neturinčiu tikslumu. Ir čia reikia sustoti ir įvertinti, ką tai reiškia.
TRAPPIST-1 sistema – septyni planetos, sukančios aplink mažą raudonąją nykštukę maždaug 40 šviesmečių nuo mūsų – jau seniai buvo astrobiologlų svajonė. Kelios iš tų planetų yra vadinamojoje „gyvybės zonoje”. JWST pradėjo jas tirti sistemingai, ir rezultatai yra… sudėtingi. TRAPPIST-1b, artimiausia planetai prie žvaigždės, atrodo, neturi reikšmingos atmosferos. TRAPPIST-1c – panaši situacija. Tai nėra gera žinia tiems, kas tikėjosi greitai rasti gyvybę, bet tai yra informacija, o informacija visada geriau nei nežinojimas.
Tuo tarpu WASP-39b – karšta dujų milžinė, sukanti aplink žvaigždę maždaug 700 šviesmečių nuo Žemės – tapo tikra JWST sėkmės istorija. Teleskopas aptiko jos atmosferoje anglies dioksidą, vandens garus, sieros dioksidą ir net sudėtingus fotocheminius procesus. Sieros dioksidas ypač nustebino – jo buvimas rodo, kad aukštose atmosferos sluoksniuose vyksta reakcijos, kurias sukelia žvaigždės šviesa. Tai pirmas kartas, kai toks procesas buvo stebimas egzoplanetoje.
Praktinis patarimas tiems, kas nori sekti šias naujienas: NASA Exoplanet Archive svetainė atnaujinama reguliariai ir yra prieinama visiems. Taip pat verta sekti @NASAWebb Twitter/X paskyrą – jie skelbia naujus atradimus beveik realiu laiku, dažnai su vizualiniais paaiškinimais.
Juodosios skylės ir tai, ko mes apie jas nežinojome
Juodosios skylės – tai tas kosmoso reiškinys, apie kurį visi yra girdėję, bet mažai kas iš tikrųjų supranta. JWST čia taip pat pridėjo keletą įdomių puslapių į šią istoriją.
Vienas iš stebinančių atradimų – supermasyvios juodosios skylės ankstyvoje Visatoje. JWST aptiko aktyvias galaktikų šerdis (tai reiškia – aktyvias juodąsias skyles, kurios ryja medžiagą ir spinduliuoja energiją) galaktikose, kurios egzistavo vos milijardą metų po Didžiojo sprogimo. Ir vėl – jos per didelės. Per masyvios tam laikotarpiui. Viena iš teorijų sako, kad ankstyvosios juodosios skylės galėjo augti daug greičiau nei dabartinės, nes medžiagos aplink jas buvo žymiai daugiau. Kita teorija – kad jos susidarė tiesiai iš didelių dujų debesų kolapsų, o ne iš žvaigždžių liekanų, kaip manyta.
Taip pat JWST stebėjo Paukščių Tako centro juodąją skylę – Sagittarius A* – ir gavo detalių duomenų apie medžiagą, besisukančią aplink ją. Tai padeda geriau suprasti, kaip mūsų pačios galaktikos centras funkcionuoja ir kaip jis keitėsi per milijardus metų.
Žvaigždžių gimimas: kai nebegalite atsiplėšti nuo ekrano
Jei yra viena JWST nuotrauka, kuri tiesiog sustabdo kvėpavimą, tai – „Kūrimo stulpai” (Pillars of Creation) Erelio ūke. Hubble’as jas fotografavo 1995 ir 2014 metais, ir tos nuotraukos jau buvo ikonos. Bet JWST versija infraraudonajame spektre – tai visiškai kitas lygis. Matosi individualios žvaigždės, besiformuojančios dujų ir dulkių stulpuose. Matosi struktūros, kurių anksčiau tiesiog nebuvo įmanoma pamatyti, nes dulkės blokuodavo regimąją šviesą.
Bet tai ne tik gražios nuotraukos. JWST leidžia stebėti protoplanetarinius diskus – dujų ir dulkių diskus aplink jaunas žvaigždes, iš kurių formuojasi planetos – su tokiu tikslumu, kad galima matyti, kaip medžiaga paskirstyta, kur galėtų formuotis planetos, ir netgi aptikti ankstyvus planetų formavimosi požymius. Tai tiesioginis stebėjimas to, kaip planetų sistemos gimsta. Įskaitant tokias, kaip mūsų Saulės sistema prieš 4,5 milijardo metų.
Taip pat JWST stebėjo Oriono ūką – artimiausią didelę žvaigždžių formavimosi sritį – ir rado kažką netikėto: daugiau nei 40 objektų, kurie atrodo kaip planetos, bet nesuka aplink jokią žvaigždę. Jie vadinami „Jupiter Mass Binary Objects” arba JuMBOs. Niekas tiksliai nežino, kaip jie susidarė. Tai dar viena mįslė, kurią JWST sukūrė vietoj to, kad išspręstų.
Mūsų Saulės sistemos naujovės: arčiau nei manėme
JWST nėra skirtas tik tolimam kosmosui. Jis taip pat stebėjo objektus mūsų pačios Saulės sistemoje, ir rezultatai buvo netikėtai įdomūs.
Titanas – Saturno mėnulis, vienintelis mėnulis Saulės sistemoje su tiršta atmosfera ir skysčių ežerais (tiesa, ne vandens, o metano ir etano) – buvo stebimas JWST, ir pirmą kartą buvo aptikti debesys jo šiauriniame pusrutulyje. Tai svarbu, nes Titano oras yra vienas iš pagrindinių astrobiologų tyrimų objektų – jo chemija panaši į tai, kokia galėjo būti ankstyvosios Žemės atmosfera.
Neptūnas ir jo žiedai – taip, Neptūnas turi žiedus, tik ne tokius ryškius kaip Saturnas – buvo nufotografuoti su tokiu detalumu, kokio nebuvo matyti nuo Voyager 2 praskriejimo 1989 metais. JWST nuotraukose žiedai matosi stulbinančiai aiškiai, o taip pat matosi keletas Neptūno mėnulių.
Europa – Jupiterio mėnulis, po kurio ledu, manoma, slypi vandenynas – taip pat buvo stebima, ir JWST aptiko anglies dioksido pėdsakus jos paviršiuje, kurie, tikėtina, kilo iš to povandeninio vandenyno. Tai nereiškia, kad ten yra gyvybė, bet tai reiškia, kad vandenynas yra chemiškai aktyvus ir potencialiai tinkamas gyvybei palaikyti.
Visatos plėtimosi mįslė ir Hablio įtampa
Čia reikia šiek tiek techninių detalių, bet pažadame – verta.
Visata plečiasi. Tai žinome nuo Edwino Hubble’o laikų. Plėtimosi greitis vadinamas Hablio konstanta (H₀). Problema ta, kad yra du pagrindiniai būdai ją išmatuoti, ir jie duoda skirtingus rezultatus. Vienas metodas – stebėti ankstyvą Visatą per kosminį foninį spinduliavimą – duoda vieną reikšmę. Kitas metodas – stebėti artimas žvaigždes ir galaktikas – duoda kitą, didesnę reikšmę. Šis neatitikimas vadinamas „Hablio įtampa” ir yra viena didžiausių neišspręstų problemų šiuolaikinėje kosmologijoje.
JWST buvo tikimasi, kad padės išspręsti šią problemą – tiksliau išmatuojant atstumus iki Cefeido žvaigždžių (standartinių žvakių, naudojamų kosminiams atstumams matuoti). Ir ką JWST padarė? Patvirtino, kad neatitikimas realus. Tai nėra matavimo klaida. Tai reiškia, kad arba mūsų kosmologijos standartinis modelis yra nepilnas, arba yra kažkokia nauja fizika, kurios mes dar nesuprantame. Tamsioji energija? Kažkokia nežinoma dalelė? Kol kas – nežinome.
Jei norite giliau suprasti šią temą: Sean Carroll’o podcast’as „Mindscape” turi keletą epizodų apie Hablio įtampą su pirmaujančiais ekspertais. Taip pat Ethan Siegel’io tinklaraštis „Starts With a Bang” reguliariai rašo apie naujausius JWST duomenis prieinamai ir tiksliai.
Kai teleskopas tampa laiko mašina ir kuo tai svarbu tau
Yra vienas dalykas, kurį verta suprasti apie JWST – ir apie astronomiją apskritai. Kai žiūrite į tolimas galaktikas, jūs žiūrite į praeitį. Šviesa keliauja greičiu, bet net ir šis greitis turi ribas. Kai JWST fotografuoja galaktiką, esančią 13 milijardų šviesmečių atstumu, jis mato, kaip ta galaktika atrodė prieš 13 milijardų metų. Tai reiškia, kad JWST iš esmės yra laiko mašina – ne ta, kuri keliauja atgal, bet ta, kuri leidžia matyti praeitį.
Ir šiame kontekste visi minėti atradimai įgauna kitą dimensiją. Mes ne tik žiūrime į tolimas galaktikas – mes žiūrime į Visatos jaunystę. Mes matome, kaip ji formavosi, kaip augo, kaip keitėsi. Ir kiekvienas JWST atradimas – kiekviena „per didelė” galaktika, kiekviena netikėta atmosfera, kiekvienas nežinomas objektas – yra dar vienas gabalas šioje milžiniškoje dėlionėje.
Praktiškai kalbant: jei norite sekti JWST atradimus realiu laiku, štai keletas resursų:
- webb.nasa.gov – oficiali NASA svetainė su visomis naujienomis ir nuotraukomis aukšta raiška
- arXiv.org – čia mokslininkai skelbia savo darbus dar prieš oficialią recenziją; galima rasti naujausius JWST tyrimus
- Sky & Telescope ir Astronomy Magazine – gerai redaguoti, prieinami šaltiniai
- YouTube kanalai: PBS Space Time, Anton Petrov, Event Horizon – visi reguliariai aptaria JWST naujoves
Visata niekada nebuvo tokia arti – ir tai tik pradžia
JWST turi veikti bent 10 metų – ir galbūt ilgiau, nes kuro sąnaudos paleidimo metu buvo tokios tikslios, kad jo atsargų turėtų pakakti 20 metų. Tai reiškia, kad visi šie atradimai – tik pirmi keli puslapiai knygos, kuri dar tik rašoma.
Tiesą sakant, tai, kas labiausiai žavi JWST istorijoje, nėra jokia konkreti nuotrauka ar atradimas. Tai faktas, kad kiekvienas naujas atsakymas sukuria dar daugiau klausimų. „Per didelės” galaktikos. Nežinomi laisvai plaukiojantys planetų dydžio objektai. Hablio įtampa, kuri neišnyksta. Tai nėra nesėkmės – tai yra mokslo esmė. Mes žinome daugiau nei prieš trejus metus, bet kartu suprantame, kad nežinome dar daugiau.
Ir galbūt svarbiausia žinutė, kurią JWST siunčia ne tik mokslininkams, bet ir visiems: Visata yra daug sudėtingesnė, daug turtingesnė ir daug keistesnė nei bet kokia teorija, kurią galime sugalvoti. Ir tai – ne bauginantis faktas. Tai – kvietimas. Kvietimas žiūrėti, klausti ir nepaliaujamai stebėtis tuo, kas yra ten, už mūsų mažos, mėlynos planetos ribų.
Kitas didelis žingsnis? Artemis programa planuoja grąžinti žmones į Mėnulį, o ten – bazė, iš kurios galima stebėti kosmosą be atmosferos trikdžių. Taip pat planuojami nauji teleskopai – Habitable Worlds Observatory, kuris bus specialiai sukurtas ieškoti gyvybės požymių egzoplanetose. JWST atidarė duris. Kas bus kitoje pusėje – pamatysime.
