Od dziesięcioleci Kosmiczny Teleskop Hubble’a i teleskopy naziemne dostarczają nam spektakularnych obrazów galaktyk. Wszystko zmieniło się, gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) został wystrzelony w grudniu 2021 r. i pomyślnie przeszedł do eksploatacji w pierwszej połowie 2022 r. Dla astronomów wszechświat, jaki widzieliśmy, został teraz ujawniony w nowy sposób, jakiego nie wyobrażali sobie naukowcy. Instrument kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) teleskopu.
NIRCam to główny przetwornik obrazu firmy Webb, który obejmuje zakres długości fali podczerwieni od 0,6 do 5 mikronów. NIRCam wykrywa światło najwcześniejszych gwiazd i galaktyk w procesie formowania, populacji gwiazd w pobliskich galaktykach, a także młodych gwiazd w obiektach Drogi Mlecznej i Pasa Kuipera.
Projekt Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science (PEARLS) jest przedmiotem ostatnich badań opublikowanych w Astronomical Journal przez zespół naukowców, w tym profesora Rogiera Windhorsta z Arizona State University School of Earth and Space Exploration Regents, naukowca Rolfa Jansena. , Associate Research Scientist Seth Cohen, Research Assistant Jake Summers i Graduate Associate Rosalia O’Brien, wraz z wkładem wielu innych naukowców.
Dla naukowców obrazy najwcześniejszych galaktyk wykonane w programie PEARLS pokazują stopień soczewkowania grawitacyjnego obiektów w tle masywnych gromad galaktyk, co pozwala zespołowi zobaczyć niektóre z tych bardzo odległych obiektów. W jednym z tych stosunkowo głębokich pól zespół pracował z oszałamiającymi wielobarwnymi obrazami, aby zidentyfikować oddziałujące galaktyki z aktywnymi jądrami.
Dane Windhorsta i jego zespołu pokazują dowody na istnienie gigantycznych czarnych dziur w ich centrum, gdzie można zobaczyć dysk akrecyjny – materiał wpadający do czarnej dziury, świecący bardzo jasno w centrum galaktyki. Ponadto wiele galaktycznych gwiazd pojawia się jak krople na przedniej szybie samochodu — jakbyś jechał przez przestrzeń międzygalaktyczną. To kolorowe pole znajduje się prosto w górę od płaszczyzny ekliptyki, płaszczyzny, w której Ziemia i Księżyc oraz wszystkie inne planety krążą wokół Słońca.
„Przez ponad dwie dekady współpracowałem z dużym międzynarodowym zespołem naukowców, aby przygotować nasz program naukowy Webb” – powiedział Windhorst. „Obrazy Webba są naprawdę fenomenalne, naprawdę przekraczają moje najśmielsze marzenia. Pozwalają nam zmierzyć gęstość liczby galaktyk świecących do bardzo słabych granic podczerwieni i całkowitą ilość wytwarzanego przez nie światła. To światło jest znacznie ciemniejsze niż zmierzone niebo w bardzo ciemnej podczerwieni” między tymi galaktykami”.
Pierwszą rzeczą, którą zespół może zobaczyć na tych nowych zdjęciach, jest to, że wiele galaktyk, które były obok Hubble’a lub były dla niego naprawdę niewidoczne, jest jasnych na zdjęciach wykonanych przez Webba. Galaktyki te są tak daleko, że światło emitowane przez gwiazdy zostało rozciągnięte.
Zespół skupił się na polu domeny czasu bieguna ekliptyki północnej za pomocą teleskopu Webba – łatwego do obserwacji ze względu na położenie na niebie. Windhorst i zespół planują obserwować go cztery razy.
Pierwsze obserwacje, składające się z dwóch nakładających się płytek, dały obraz przedstawiający obiekty tak słabe, jak jasność 10 świetlików w odległości księżyca (bez księżyca). Ostatecznym limitem dla Webba jest jeden lub dwa świetliki. Najsłabsze i najbardziej czerwone obiekty widoczne na zdjęciu to odległe galaktyki, które sięgają pierwszych kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Przez większość swojej kariery Jansen pracował z kamerami naziemnymi i kosmicznymi, gdzie masz jeden instrument z pojedynczą kamerą, która wytwarza jeden obraz. Teraz naukowcy mają instrument, który ma nie tylko jeden detektor lub jeden obraz wychodzący z niego, ale 10 jednocześnie. Na każdą ekspozycję NIRCam daje 10 takich zdjęć. To ogromna ilość danych, a sama ich ilość może być przytłaczająca.
Aby przetworzyć te dane i skierować je za pośrednictwem oprogramowania analitycznego współpracowników na całym świecie, Summers odegrał kluczową rolę.
„Obrazy JWST znacznie wykraczają poza to, czego oczekiwaliśmy na podstawie moich symulacji przed pierwszymi obserwacjami naukowymi” – powiedział Summers. „Analizując te obrazy JWST, byłem najbardziej zaskoczony ich znakomitą rozdzielczością”.
Głównym zainteresowaniem Jansena jest ustalenie, w jaki sposób powstały galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna. Sposobem na to jest spojrzenie daleko w przeszłość na to, jak galaktyki się połączyły, zobaczenie, jak skutecznie ewoluowały, i prześledzenie ścieżki od Wielkiego Wybuchu do ludzi takich jak my.
„Byłem zachwycony pierwszymi obrazami PEARLS” — powiedział Jansen. „Nie wiedziałem, kiedy wybrałem to pole w pobliżu północnego bieguna ekliptyki, że przyniesie ono taką skarbnicę odległych galaktyk i że otrzymamy bezpośrednie wskazówki na temat procesów, dzięki którym galaktyki gromadzą się i rosną – widzę strumienie, ogony, muszle i aureole gwiazd na ich obrzeżach, resztki ich budulca”.
Absolwent trzeciego roku astrofizyki, O’Brien, zaprojektował algorytmy do pomiaru słabego światła między galaktykami a gwiazdami, które jako pierwsze przykuwają naszą uwagę.
„Rozproszone światło, które zmierzyłem pomiędzy gwiazdami i galaktykami, ma znaczenie kosmologiczne, ponieważ koduje historię wszechświata” – powiedział O’Brien. „Czuję się szczęśliwy, że mogę rozpocząć karierę właśnie teraz – dane JWST nie przypominają niczego, co kiedykolwiek widzieliśmy, i jestem podekscytowany możliwościami i wyzwaniami, jakie oferuje”.
„Spodziewam się, że pole to będzie monitorowane przez całą misję JWST, aby odkryć obiekty, które się poruszają, różnią się jasnością lub krótko rozbłyskują, jak odległe eksplodujące supernowe lub gromadzący się gaz wokół czarnych dziur w aktywnych galaktykach” – powiedział Jansen.