A James Webb-űrtávcső első eredményei
Huszonöt év munkájának és 10 milliárd dollárnak eredménye volt, hogy egy éve, 2021-ben, Karácsony napján egy Ariane–5 rakéta segítségével a James Webb-űrtávcsövet (JWST) felbocsátották. A JWST főtükre 6,5 méter átmérőjű, amihez egy teniszpálya méretű nappajzs is tartozik, amit tizenkétszeresen hajtottak össze, hogy beférjen a rakéta teherterébe, majd felbocsátását követően nyitottak ki. A JWST a közeli és középinfravörös tartományokban mér, fotometriai és spektroszkópiai módszerekkel is. A JWST első felvételei július 12-én váltak publikussá, és az űrtávcső azóta is rengeteg lélegzetelállító felvétellel és izgalmas eredménnyel szolgált. Ezek közül válogatunk.
A Naprendszerünk infravörös képe: a Neptunusz és gyűrűi
A James Webb felvételei a Naprendszernek is új arcát mutatják meg, köztük a Neptunuszról, illetve holdjairól és gyűrűrendszeréről készült felvétellel. A Neptunusz 1846-os felfedezése óta lenyűgözte a kutatókat. A bolygó Naptól való távolsága a Földének harmincszorosa, ahol a Nap fénye annyira gyenge, hogy a Neptunusz felszínén a fényviszonyok délben olyanok, mint a Föld felszínén szürkületben. A Neptunusz nagy mennyiségű jégből áll, nem úgy mint a főleg gázt tartalmazó Jupiter és Szaturnusz. A Neptunusz egyik érdekessége, hogy a légkörében a szél sebessége meghaladhatja a földi hangsebességet.
A JWST közeli infravörös felvételén olyan részletességgel rajzolódnak ki a gyűrűk, ahogy a Voyager–2 űrszonda 1989-es elhaladása óta nem láthattuk őket, illetve először tanulmányozhatják a kutatók a gyűrűrendszert infravörös tartományban. A fényes keskeny gyűrűk között halványabb, porból álló sávok láthatók. A bolygó légköre metánt tartalmaz, ami elnyeli a közeli infravörös sugárzást, ám a metánjégből álló felhők visszaverik a Nap sugárzását, így ezek a felhők jól láthatók a James Webb közeli infravörös felvételén is. A felvételen a Neptunusz 14 holdjából hét látható, köztük a legnagyobb, a Triton. A Triton felszínét egy kondenzálódott nitrogénből álló réteg borítja, így a rá eső fénynek nagyjából 70 százalékát visszaveri.
2. ábra: A Neptunusz holdjai és gyűrűrendszere a JWST közeli infravörös felvételén. Forrás: NASA, ESA, CSA, STScI, adatfeldolgozás: Joseph DePasquale (STScI)
A Naprendszerünk infravörös képe: a Jupiter
A Jupiterről készült közeli infravörös JWST-képen a Jupiternek két holdja, az Amalthea és Adrastea látszanak. A felvételen még a sarki fény is látható a Jupiter mindkét pólusán, a gyűrűi, illetve a Nagy Vörös Folt nevű légköri formáció, ami egy tartós, nagy nyomású anticiklon. A felvétel a NIRCam három különböző szűrőjének felhasználásával készült kompozitkép. A felvételen a fényesebb területek magasabb felszíni formációkhoz tartoznak, ahogyan a Nagy Vörös Folt és az egyenlítő mentén látható felhők is. A James Webb mérései segítenek majd abban, hogy jobban megértsük a Jupiter összetételét, gyűrűrendszerét és holdjait.
Betekintés egy exobolygó légkörébe
A tőlünk 700 fényévre található WASP-39 b exobolygó más, mint a Naprendszerünk bolygói. Mérete a Szaturnuszéhoz hasonló, de közelebb kering a csillaga körül, mint a Merkúr a Nap körül. Az ehhez hasonló exobolygók a „forró szaturnusz” csoportba tartoznak. A JWST megmérte a bolygó légkörének összetételét, és többek között vizet, kén-dioxidot, szén-monoxidot, nátriumot és káliumot talált. Korábban a Hubble- és Spitzer-űrtávcsövek is tanulmányozták ezt az exobolygót, de a James Webb mérései az eddigieknél sokkal több atomot és molekulát detektáltak a légkörében. A mérések felhők jelenlétére is utalnak, amelyek eloszlása nem egyenletes. Az egyik legjelentősebb felfedezés a kén-dioxid jelenléte: első alkalommal mutatták ki ugyanis ezt a molekulát egy exobolygó légkörében. A kén-dioxid a bolygó légkörében a központi csillaga sugárzásának hatására fellépő kémiai reakciók során jött létre, hasonlóan ahhoz, ahogy a Föld ózonrétege is létrejött. Ez az első alkalom, hogy olyan molekulát mutattak ki exobolygó légkörében, amely a központi csillaga sugárzásának hatására jött létre. A bolygó légkörében azonosított elemek gyakoriságának aránya annak megértésében is segíthet, hogy hogyan alakult ki a bolygó a központi csillaga körüli por- és gázkorongból. A WASP-39 b kémiai összetétele arra utal, hogy kisebb bolygókezdemények összeütközésével és összeolvadásával keletkezhetett.
4. ábra: Illusztráció a WASP-39 b exobolygóról jelenlegi ismereteink alapján. A WASP-39 b egy forró gázóriás, amelynek tömege hasonló a Szaturnusz tömegéhez, átmérője pedig 1,3-szorosa a Jupiterének, központi csillaga körül 0,0486 csillagászati egységre kering. Az exobolygóra vonatkozó ismereteink spektroszkópiai méréseken alapulnak. Forrás: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Bepillantás a Napunk születésébe
A James Webb közeli infravörös felvétele egy születőfélben lévő csillagot, úgynevezett protocsillagot mutat, vagyis olyan, mintha a Napunk születésébe nyernénk bepillantást. A mindössze 100000 éves protocsillag az L1527 csillagközi felhőben található, és még olyan kezdeti stádiumban van, amelyben a hidrogén fúziója nem indult be. Ebben a korai állapotban a protocsillagok körül egy úgynevezett akkréciós korong található, amelyből az anyag a csillag felszínére hullik, aminek egy része a csillagról a korongra merőleges kifúvások formájában távozik. Mivel a képen látható protocsillagra az éléről látunk rá, jól látható a kép közepén egy sötét vonalként az akkréciós korong, amelynek mérete a Naprendszerünkéhez hasonló. A korong felett és alatt a protocsillag sugárzása a környező por- és gázfelhő szerkezetét mutatja, ahonnan a protocsillag kifúvásai az anyag egy részét kisöpörték. A felvételen a legnagyobb sűrűségű területek narancssárga, a legkisebb sűrűségűek kék színben látszanak.
A Teremtés Oszlopai
A Teremtés Oszlopai néven emlegetett képződmény egy molekulafelhő, a tőlünk 6500 fényévre levő Sas-köd egy több fényévnyi területe, amely a Hubble-űrtávcső 1995-ös felvétele alapján vált közismertté. A középinfravörös tartományban látható szürke oszlopok a por eloszlását rajzolják ki, olyan területeket mutatnak, amelyek születőben lévő csillagokat rejtenek, és ezeknem elég fényesek ebben a hullámhossztartományban. Optikai és közeli infravörösben készült képek alapján tudjuk, hogy ezen a területen már több ezer csillag keletkezett. A középinfravörös felvételen ezek közül a csillagok közül nagyon sok nem látható, mert már nincs a környezetükben elég por ahhoz, hogy ebben a hullámhossztartományban is észlelni lehessen azokat.
A felvételen a sötétszürke részek a nagyobb sűrűségű, a felvétel tetején látható vörösebb részek a kisebb sűrűségű területeket jelölik. A JWST középinfravörös felvétele ezen a hullámhosszon az eddigi legjobb felbontású felvétel erről a tartományról, ami az ott lévő por eloszlásáról és ezáltal a területen lévő csillagkeletkezésről is új infromációkkal szolgál.
Csillagkeletkezés a Tejútrendszerünkön kívül: a Tarantulaköd
A Tarantula-köd (vagy más néven 30 Doradus) tőlünk 161000 fényévre található a Nagy Magellán-felhőben, amely a Tejútrendszerünk körül kering, és az úgynevezett Lokális Csoport (a Tejútrendszerünket is magába foglaló galaxishalmaz) tagja. Az ismert csillagkeletkezési tartományban több ezer fiatal, még kialakulóban lévő csillag van. A Tarantula-köd a Lokális Csoport legfényesebb csillagkeletkezési régiója, ahol az ismert legforróbb, legnagyobb tömegű csillagok találhatók.
A JWST közeli infravörös felvételén látható egy főleg csillagokat tartalmazó rész, ahol a csillagkeletkezés hatására a csillagközi anyag mennyisége csökkent. A körülötte található részeken a por- és gázfelhő a Teremtés Oszlopaihoz hasonlóan még születőfélben levő csillagokat takar.
A Tarantula-köd érdekessége, hogy a kémiai összetétele hasonló ahhoz, amit a korai Univerzumban mértek, amikor a csillagkeletkezési ráta a legmagasabb volt. A Tejútrendszerben lévő csillagkeletkezési régiók sokkal kisebb hatásfokkal „gyártanak” csillagokat, mint a Tarantula-köd, és a kémiai összetételük is más. A James Webb felvételeit a Tarantula-ködről a korai Univerzum galaxisairól készült felvételekkel összevetve érdekes eredmények várhatók.
A Kocsikerék-galaxis a JWST felvételén
A felvételen, amely a JWST közeli infravörös és középinfravörös felvételeinek kombinálásával készült, a tőlünk 500 millió fényévre található Kocsikerék-galaxis látható, amely két galaxis 400 millió évvel ezelőtti összeütközésének következtében jött létre. A kocsikerék alakzatot egy belső és egy külső gyűrű adja. Az ütközés egy nagyobb spirálgalaxis és egy kisebb galaxis között jött létre, és a gyűrűk a nagyobb galaxis karjainak eltorzulásával keletkeztek. A kisebb galaxis nem látható a felvételen. A galaxis két gyűrűje az ütközés következtében annak középpontjától folyamatosan távolodik. A galaxis fényes magja nagy mennyiségű forró port tartalmaz, és több hatalmas fiatal csillaghalmazt rejt. A külső gyűrűben, ami már 440 millió éve tágul, aktív csillagkeletkezés zajlik, illetve szupernóvák is találhatók. A csillagkeletkezés annak hatására indul be, ahogy a táguló gyűrű összeütközik a gyűrűt körülvevő gázzal. A galaxisban levő hatalmas pormennyiség miatt leginkább infravörös mérésekkel tanulmányozható, így a James Webb felvételei itt is új eredményeket hozhatnak.
A lejjebb látható felvételen a közeli infravörös tartomány kék, narancssárga és sárga színekben látszik, a középinfravörös tartományhoz a piros részek tartoznak. A Kocsikerék-galaxis egy átmeneti állapotban van, amelyről sok újat tanulhatunk a James Webb méréseiből. A mérések arra is engednek majd következtetni, hogy hogyan fejlődött a mostani állapotába a galaxis, és a jövőben miként fog változni.
8. ábra: A Kocsikerék-galaxis JWST-felvétele közeli és középinfravörös adatok kombinációjából készült. A két hullámhossztartományban készült felvétel összeadásával olyan részletek is láthatók, amik a két felvételen külön-külön kevésbé látszanak.
A JWST már megdöntötte a galaxisok távolsági rekordját
A JWST egyik felvételén az Abell 2744 galaxishalmaz irányában, de nem annak részeként, a kutatók két fényes galaxist azonosítottak, amelyek nem sokkal az ősrobbanást követő állapotot mutatják: a 13,8 milliárd éve történt ősrobbanást követő 350 millió, illetve 450 millió évvel későbbi állapotot. Az előbbi a jelenleg ismert legtávolabbi galaxis. A galaxisok fényesebbek, mint ahogy azt a kutatók várták. A legelső létrejött galaxisokban gyorsabban keletkeztek csillagok, mint napjainkban. Ezek a galaxisok kisebbek is voltak, mint a Tejútrendszerünk, és általában szférikus vagy korong alakúak. A csillagkeletkezés az ősrobbanást követően 100 millió évvel indult be. Hogy miért olyan fényesek a galaxisok, két lehetőség van: nagyon sok kis tömegű csillagot tartalmaznak, olyanokat, mint a mi Napunk is, vagy kevesebb, de extrém fényes, úgynevezett III. populációs csillagot. Az Univerzumban legelőször kialakult (III. populációs) csillagok nagyon magas hőmérsékletűek voltak, illetve csak hidrogént és héliumot tartalmaztak, mivel a nehezebb elemek még nem álltak rendelkezésre (azok ugyanis a csillagok belsejében zajló nukleáris reakciókban keletkeznek a csillagfejlődés során). A két galaxis távolságát egyelőre a különböző infravörös sávokban mért fényességek alapján határozták meg. A jövőben spektroszkópiai módszerekkel is meghatározzák a távolságokat, hogy egy másik módszerrel is megerősítsék az eredményeket.
9. ábra: A James Webb felvétele az Abell 2744 galaxishalmazról, amelyen többek között két olyan galaxis is látszik, amelyek a mostanáig ismert legtávolabbi galaxisok közé tartoznak. Ezek a távoli galaxisok nem tagjai a galaxishalmaznak, csak ugyanabban az irányban látszanak, de a halmaznál több milliárd fényévvel távolabb vannak. Az 1-es számmal jelölt galaxis az ősrobbanást követően 450 millió évvel későbbi állapotot mutatja, a 2-es számmal jelölt galaxis pedig 350 millió évvel későbbit. Ezek a galaxisok sokkal kisebbek, mint a Tejútrendszerünk, mindössze néhány százalékát érik el a méretének.
Az itt kiemelt eredmények mellett számos más felfedezés is fűződik a JWST nevéhez, pedig még csak nagyjából fél éve szolgáltat adatokat. A JWST eredményei a csillagászat minden területén fognak még újat hozni, Naprendszerünktől kezdve egészen a korai Univerzumig.
Szerző: Nagy Zsófia, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet