Семь потрясающих выводов, которые можно сделать на основании первого снимка глубокого поля с телескопа Джеймс Уэбб

Итан Сигель (Ethan Siegel)

11 и 12 июля 2022 года наше понимание Вселенной изменилось раз и навсегда. В эти дни весь мир увидел первые снимки, сделанные космическим телескопом "Джеймс Уэбб". В противовес прежним релизам снимков, сделанных этим телескопом, которые представляли собой лишь изображения, используемые для калибровки, проверки и запуска оборудования, новые снимки:

Самым первым опубликованным снимком стало изображение "глубокого поля" – массивного звездного скопления SMACS 0723. Используя целый ряд фильтров и инструментов, телескоп "Джеймс Уэбб" "наблюдал" за этим участком космического пространства на протяжении 12,5 часов. Хотя это может показаться очень длинным промежутком времени, это всего 2% от того времени, которое телескоп "Хаббл" потратил на свое изображение "глубокого поля": он создавал свое первое изображение "глубокого поля" из 342 снимков в течение 23 дней.

На основании первого изображения "Уэбба" мы можем сделать семь потрясающих выводов, которые окажут значительное влияние на будущее науки.

1. Телескоп "Джеймс Уэбб" превосходит "Хаббл" в большей степени, чем мы ожидали.

Если сравнить возможности "Уэбба" и "Хаббла", становится ясно, что наш новейший космический телескоп может сделать гораздо больше всего за меньшее время. В распоряжении "Хаббла" есть только основное зеркало диаметром 2,4 метра, а у "Уэбба" сегментированное зеркало имеет диаметр 6,5 метра. В результате разрешение "Уэбба" на 270% выше (для света с той же длиной волны), а его светосила на 730% больше, чем у "Хаббла". Если рассуждать с точки зрения исключительно законов оптики, именно насколько "Уэбб" должен быть лучше и быстрее "Хаббла" – без учета тех преимуществ, которыми "Уэбб" обладает в смысле охлаждения, диапазона длин волн и инструментов.

Другими словами, за то же время наблюдений "Уэбб" должен "собирать" на 730% больше света, чем "Хаббл". Однако "Уэбб" – как вы сами можете увидеть выше, сравнив сделанное им изображение скопления галактик SMACS 0723 с изображением "Хаббла", – работает еще лучше.

Время работы "Хаббла" разделено на "орбиты": так, из своего положения на низкой околоземной орбите он совершает полный оборот вокруг нашей планеты каждые 96 минут. Всего для создания составного изображения "Хабблу" потребовалось шесть "орбит": четыре – в оптическом диапазоне и две – в инфракрасном диапазоне. Если основываться на простой математике, можно посчитать, что шесть оборотов, умноженных на 96 минут на один оборот, будут равняться 9,6 часам (576 минутам).

Однако в итоговое изображение, сделанное "Хабблом", попали лишь данные, собранные им за 3,4 часа или 203 минуты, хотя телескоп посвятил наблюдению за своим объектом почти в три раза больше этого времени. Для сравнения, "Уэбб наблюдал за своей целью 12,5 часа и получил данные общим объемом на все эти 12,5 часа.

В чем же разница?

В месте, откуда ведется наблюдение. Поскольку "Хаббл" находится на орбите Земли, он проводит более 50% своего времени во взаимодействии с Землей (и земной атмосферой) и может получать полезные данные только тогда, когда ничто не препятствует ему вести наблюдение за своей основной целью.

Между тем, "Уэбб" находится примерно в 1,5 миллионах километров от Земли, в точке Лагранжа L2. Он всегда обращен в сторону от Солнца, от Земли и от Луны. Ему вообще не приходится сталкиваться с этими препятствиями в своих наблюдениях. В результате эффективность его наблюдений составляет почти 100%, тогда как у "Хаббла" она менее 50%. Такой высокий показатель эффективности будет распространяться на все наблюдения "Уэбба", поэтому новый телескоп будет снабжать ученых более высококачественными данным с более высокой скоростью, чем когда-либо мог "Хаббл".

В теории мы знали, что это так, но, получив первые изображения "глубокого поля", сделанные "Уэббом", мы обрели необходимые доказательства. Существуют обширные области космоса, в которых вообще нет ни звезд, ни галактик. С тех пор как эти "пустоты" были обнаружены, ученые задавались вопросом, могут ли там находиться объекты, слишком тусклые, маленькие, маломассивные или слишком далекие, чтобы мы могли увидеть их с помощью имевшихся у нас технологий, или же эти пустоты на самом деле были на 100% пусты.

Как показали первые изображения с телескопа "Уэбб", есть множество участков космоса, которые "Хабблу" казались пустыми, но в которых "Уэбб" сумел разглядеть массу различных объектов. Да, эти участки действительно остаются относительно "слабозаселенными" областями космоса, но они не пусты, как некоторые надеялись или опасались. "Уэбб" может не только найти эти объекты, но и во многих случаях хорошо разглядеть и изучить их свойства, в то время как "Хаббл" не сумел их даже увидеть. Это поможет нам достичь одной из главных научных целей проекта "Джеймс Уэбб", а именно рассказать нам в мельчайших деталях о том, как возникла наша Вселенная и как она стала такой, какая она есть сегодня.

Если посмотреть на самые тусклые, самые далекие объекты, которые смог обнаружить космический телескоп "Хаббл", они чаще всего выглядят как обычные "пятна" на небе. Но с улучшенным разрешением "Уэбба" мы можем видеть, что эти далекие объекты являются галактиками и что эти галактики зачастую имеют различимую структуру.

Мы знаем, что аккреция и слияния играют важную роль в эволюции галактик и что относительная доля звезд, возникающих под воздействием друг друга, меняется с течением времени. Кроме того, мы уже знаем, что галактики внутри галактических групп или скоплений эволюционируют иначе в смысле своей формы (астрономы называют это "морфологией"), чем более изолированные галактики.

Но здесь важно обратить внимание на следующий момент: увеличение разрешения на 270% в реальности означает увеличение количества пикселей на каждый источник света примерно на 700%. Галактика размером всего 3×3 пикселя для "Хаббла" для "Уэбба" уже будет размером 8×8 пикселей. Увидев, как формы и конфигурации галактик меняются в космическом времени и пространстве, мы сможем понять, как наша Вселенная росла на протяжении всей своей истории.

Если вы не профессионал, вы, скорее всего, не слышали об этой проблеме: многие из тех галактик, которые мы в какой-то момент объявляли "самыми далекими", на самом деле оказывались вовсе не галактиками. Причина проста и банальна: имея в своем распоряжении нынешние технологии, мы не могли проводить полноценную спектроскопию самых далеких объектов.

Что я подразумеваю под "полноценной спектроскопией"?

Спектроскопия подразумевает расщепление поступающего света на волны разной длины и поиск либо эмиссионных линий (пиков на определенных длинах волны), либо спектральных линий поглощения, которые соответствуют квантово-механическим переходам определенных элементов. Если вы в состоянии получить множество линий, наблюдая за тем или иным элементом, вы можете определить, насколько длина излученной волны изменилась из-за расширения Вселенной.

С помощью телескопа "Хаббл" мы не можем провести такой анализ в отношении самых далеких галактик, потому что его чувствительность к длине волны не охватывает инфракрасный диапазон. Если говорить о самых далеких "кандидатах" в галактики, мы не проводили полноценную спектроскопию примерно десять лет.

Однако с появлением телескопа "Джеймс Уэбб" и его чрезвычайно высокой чувствительности к волнам длиной менее 2000 нанометров все эти неизвестные попросту исчезнут. Любая галактика с красным смещением в своем спектре, такая как HD1 и GN-z11, теперь должна будет пройти процедуру полноценного спектроскопического "подтверждения", чего никогда прежде не было. Как показывают первые спектры, полученные с "Уэбба", теперь мы можем делать это для всех галактик, которые мы хотим проверить, и мы получим данные о присутствии линий кислорода, водорода и неона в спектрах галактик, если они там есть.

Астрономы чаще всего бывают двух типов: те, кто выступает с сенсационными заявлениями о том, что происходит в космосе, имея лишь намек на необходимые доказательства, и те, кто не принимает подобные заявления, пока доказательства в их пользу не станут неопровержимыми. Теперь, когда у нас есть "Джеймс Уэбб", у нас наконец-то появилась возможность собрать неопровержимые доказательства, необходимые для точного определения свойств галактик, и больше нет необходимости гадать и выдвигать предположения. Наука состоит не в том, чтобы анализировать скудные данные и выбирать, во что верить. Наука должна демонстрировать нам то, что реально, истинно и не вызывает сомнений. Благодаря возможностям "Уэбба" в наших рассуждениях о Вселенной мы очень скоро заменим "мы думаем" на "мы знаем".

Одно из прекраснейших свойств теории темной материи заключается в том, что она объясняет огромное множество наблюдаемых явлений в стольких различных ракурсах с помощью лишь одного этого дополнения. Теория Вселенной, в которой присутствует темная материя, может объяснить:

Однако ученые предпринимают попытки объяснить некоторые из этих явлений не с помощью темной материи, а с помощью идеи об изменении законов гравитации. В процессе анализа многих свойств отдельных галактик эта гипотеза выглядит довольно многообещающе, если рассматривать их изолированно, но во всем остальном она не так хорошо помогает.

Некоторые варианты гипотезы о модифицированной гравитации предсказывают, что поведение вращающихся галактик будет меняться с течением космического времени; другие версии указывают на то, что молодые вращающиеся галактики и старые вращающиеся галактики должны иметь сходные кривые вращения. Теперь, когда в нашем распоряжении есть разрешение и спектроскопические возможности "Уэбба", мы сможем применить их к вращающимся галактикам, наблюдаемым по всей Вселенной, и опровергнуть те или иные вариации гипотезы о модифицированной гравитации. Это также значит, что теперь мы сумеем проверить наши теории темной материи, чего мы не могли сделать раньше. Что бы мы в результате ни выяснили, это будут данные о том, как Вселенная ведет себя на самом деле.

Вы когда-нибудь задумывались, глядя на массивное скопление галактик, что происходит в самом центре и на окраинах самой яркой, самой массивной галактики, расположенной в середине скопления? Нам удалось рассмотреть только самые близкие к нам скопления галактик, и мы узнали лишь:

Однако в случае с большинством скоплений галактик мы можем увидеть лишь рассеянный, избыточный свет, называемый внутрикластерным светом, который от них исходит.

Но теперь, имея в своем распоряжении возможности "Уэбба", мы сможем увидеть, какие структуры присутствуют вокруг центральных галактик. Этот телескоп сумеет рассмотреть даже маленькие, тусклые галактики, которые в противном случае при более низком разрешении просто "слились бы" вместе. Возможно, мы даже сможем использовать полученные данные, чтобы объяснить распределение источников света внутри скопления, а также для выявления свойств галактик-спутников и шаровых скоплений в гало галактик, чего никогда прежде не было. На самом первом изображении "глубокого поля", сделанном "Уэббом", мы уже видим то, что без него нам было бы попросту недоступно.

Да, это правда: чисто визуально снимки, сделанные "Уэббом" на более коротких волнах являются самыми захватывающими. Снимки, сделанные NIRCam, которые содержат длины волн примерно от 600 до 5000 нанометров, имеют гораздо более высокое разрешение, чем изображения MIRI, которые охватывают длину волн от 5000 до 28 000 нанометров. В конце концов, разрешение вашего телескопа определяется количеством длин волн света, которые могут поместиться в диаметре его главного зеркала, и с зеркалом фиксированного диаметра в 6,5 метра изображения NIRCam будут каждый раз давать вам более высокое разрешение, чем MIRI.

Но способность улавливать длины волн среднего инфракрасного диапазона дает возможность видеть то, что нельзя увидеть при съемке в ближнем инфракрасном диапазоне, а именно космическую пыль. Эта нейтральная материя не только является основным "ингредиентом" процессе образования звезд, но и содержит в себе молекулы, которые излучают свет только в определенном диапазоне. Галактики, светящиеся "зеленым" на изображениях MIRI, содержат различные химические соединения, в том числе углеводороды, которые указывают на способность этих галактик вмещать обитаемые миры. Все эти данные, сложенные вместе, помогут раскрыть наибольшее количество тайн нашей Вселенной.

Перечисленные выше выводы – это только начало великой космической науки, которая стартует вместе с первыми изображениями, полученными с телескопа "Джеймс Уэбб". Многие из галактик, которые вытянуты в дуги или визуально кажутся очень красными, подвергаются гравитационному линзированию, и первые данные, полученные с "Уэбба", достаточно хороши, чтобы сразу сказать нам, какие точки света являются несколькими изображениями одной и той же галактики, а какие – разными галактиками. Теперь, когда все инструменты "Уэбба" начали работать на полную мощность, это изображение "глубокого поля" показало нам Вселенную так, как мы никогда прежде ее не видели.

Самое важное, о чем нужно помнить, – что это изображение "глубокого поля", как и все изображения, которые вошли в первую партию опубликованных снимков с телескопа "Уэбб", представляют собой данные, собранные менее чем за день. Для сравнения "Хаббл" работает уже 32 года, то есть "Уэбб" способен превзойти его на многих фронтах. Впереди нас ждут более 20 лет работы с "Джеймсом Уэббом", а новые открытия только начинаются. Как красноречиво выразился Эдвин Хаббл, "с увеличением расстояния наши знания становятся все более скудными и исчезают вовсе. В конце концов мы достигаем тусклой границы – крайнего предела возможностей наших телескопов. Там мы начинаем измерять тени, искать среди призрачных погрешностей в измерениях какие-нибудь ориентиры, которые едва ли можно назвать значимыми. Поиски продолжатся. И только когда наши эмпирические ресурсы будут исчерпаны, нам придется переместиться в туманное пространство гипотез".

Получив в свое распоряжение беспрецедентные возможности телескопа "Джеймс Уэбб", мы только начинаем видеть нашу Вселенную – в буквальном смысле – в совершенно новом свете.