Az űrtávcső már nagyjából másfél éve szolgáltat adatokat és formálja az Univerzumról alkotott eddigi képünket. Egy éve összefoglaltuk a JWST 2022-es eredményeit, ehhez hasonlóan jöjjön egy válogatás a 2023-as eredményekből, a teljesség igénye nélkül.
A JWST első exobolygó-felfedezése
A 2023-as év egyik első eredménye a 41 fényévre található LHS 475 b jelű exobolygó felfedezése volt, amelynek különlegessége, hogy átmérője a Földével nagyjából megegyezik, annak 99%-a. A Kevin Stevenson és Jacob Lustig-Yaeger (Johns Hopkins Egyetem, Maryland, USA) vezette kutatócsoport figyelmét a NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) űrtávcsövének adatai keltették fel, azok ugyanis utaltak egy esetleges exobolygó jelenlétére. A Webb közeli infravörös spektrográfja (Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec) egyértelműen igazolta az exobolygó jelenlétét, illetve azt, hogy egy kis, Föld-méretű kőzetbolygóról van szó. Az összes ma rendelkezésre álló távcső közül a JWST az egyetlen, amely Föld-méretű exobolygók légkörének elemzésére képes. Az első eredmények még nem adnak meg minden információt a bolygó légköréről, sőt még azt sem teszik bizonyossá, hogy a bolygónak valóban van légköre, annyi biztos hogy ha van, akkor az nem metán-dominált, mint pl. a Szaturnusz holdjáé, a Titané. Nem lehet kizárni, hogy a bolygó légköre 100%-ban szén-dioxidból áll, mivel az olyan kompakt lenne, amit nehezen lehet detektálni, így annak kimutatására még precízebb mérésekre lenne szükség. A bolygó hőmérséklete több száz fokkal magasabb a Földénél, így az is lehet, hogy a Vénuszhoz hasonló, amelyet szén-dioxid tartalmú atmoszféra burkol. A bolygó keringési ideje mindössze két nap, így közelebb van a központi csillagához, mint a Naprendszer bármely bolygója. Ugyanakkor az LHS 475 b központi csillaga egy vörös törpe, amelynek hőmérséklete alacsonyabb mint a Nap hőmérsékletének a fele.
Ez a felfedezés mutatja, hogy a JWTS-vel lehetőségünk nyílt Föld-méretű exobolygók tanulmányozására, többek között kisebb, vörös törpe csillagok körül is.
Egy Colosseum-méretű aszteroida felfedezése
A JWST középinfravörös műszerével (Mid-InfraRed Instrument, MIRI) egy 100-200 méter átmérőjű (nagyjából a Colosseum méretével megegyező) fő kisbolygóövbeli (tehát a Mars és a Jupiter pályája között keringő) aszteroidát is felfedezett egy európai kutatócsoport Thomas Müller (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Németország) vezetésével. Eddig ez a legkisebb aszteroida, amit a JWST-vel és amit eddig a fő aszteroida-övben felfedeztek. Az aszteroida felfedezése publikusan elérhető, kalibrációs mérések segítségével történt, és arra utal, hogy a JWST új kisbolygók felfedezése területén is eredményes lesz. A JWST mérései idején az objektum a fő aszteroidaöv belső részében tartózkodott több mint 100 millió km-es távolságban. Az 1 km-nél kisebb aszteroidák tanulmányozása a Naprendszer keletkezésének megértéséhez is fontos információt szolgáltathat, és ebben a JWST jövőbeli mérései is előrelépést jelentenek majd. Ez a felfedezés arra is rávilágít, hogy érdemes a JWST összes, a Naprendszer síkja irányában készült felvételét átvizsgálni, mert azok további kisbolygók felfedezéséhez vezethetnek.
A látványos, szupernóvát megelőző állapot
A Wolf–Rayet-csillagok olyan nagy tömegű csillagok, amelyek életük vége felé járnak, a szupernóva-robbanáshoz közeledve. A 15000 fényévre található WR 124 Wolf–Rayet-csillag körüli gázból és porból álló burok, ami a csillag kifúvásai következtében jött létre, nagyon látványos a JWST felvételén. Bár ez a csillag életének késői fázisa, egyben korai állapotot is jelent: az Univerzumban található por egy része ezekben a gázfelhőkben születik. A nagy tömegű csillagok élettartama rövid, és nem mindegyik megy keresztül a rövid Wolf–Rayet-fázison a szupernóva-robbanás előtt, így a JWST felvétele különösen értékes. A WR 124 tömege a Napénak harmincszorosa, és eddig 10 naptömeget veszített kifúvások formájában. Ahogy a kilökődött gáz hőmérséklete csökken, elindul benne a porképződés, és láthatóvá válik infravörös tartományban. A kozmikus por keletkezésének megértése fontos: a csillagközi por lényeges szerepet játszik a csillag- és bolygókeletkezésben, illetve a molekulák kialakulásában, amelyek az élet keletkezésében is jelentősek. A JWST a csillagközi por szerkezetének tanulmányozására is új lehetőséget ad.
A WR 124 többek között ahhoz is hozzásegíthet, hogy megértsük, a korai univerzum nagy tömegű első csillagai hogyan juttattak nehezebb elemeket a környezetükbe.
Az Uránusz gyűrűrendszere
A Neptunusz 2022-es felvétele után a JWST a Naprendszer másik jégóriásáról, az Uránuszról is lenyűgöző felvételt készített. A felvételen látszik a bolygó gyűrűrendszere, illetve az atmoszféra fényesebb részei. A felvételen olyan halvány gyűrűk is látszanak, amelyek korábban csak két esetben: a Voyager-2 űrszondának az Uránuszhoz közeli elhaladásakor 1986-ban, illetve a Keck Obszervatórium adaptív optikával készült felvételén.
Az Uránusz forgási síkja közel 90 fokos szöget zár be a keringési síkjával. Ennek következtében a bolygó pólusai néha évekig a Nap felé fordulnak, majd évekig az ellentétes irányba. Jelenleg az északi féltekén (amely a felvételen látszik) késői tavasz van. A Voyager–2 elhaladásakor a déli póluson (amely most a „sötét oldal”) volt nyár.
A JWST felvétele a közeli infravörös kamera (Near-Infrared Camera, NIRCam) két sávjában készült képek kombinálásával jött létre. A felvétel jobb oldalán látható fényes terület a poláris sapka, ami akkor jelenik meg, amikor a pólus napfényt kap, és ősszel eltűnik. Ennek a jelenségnek a megértéséhez segíthetnek hozzá a JWST adatai. Több fényes felhő is látható a képen, amelyek valószínűleg viharra utalnak.
Az Uránusz 13 ismert gyűrűjéből 11 látszik a JWST felvételén, ezek közül kettő nagyon halvány porgyűrű, amelyeket a Voyager–2 fedezett fel közeli elhaladásakor. Várhatóan későbbi, hosszabb expozíciós idejű (a mostani 12 perchez képest) JWST-felvételeken a további két halvány külső gyűrű is láthatóvá válik, amelyeket a Hubble-űrtávcsővel fedeztek fel.
Egy fiatal csillag körüli aszteroidaöv
A Fomalhaut nevű közeli fiatal csillag volt a célpontja a Gáspár András (University of Arizona) által vezetett kutatrócsoportnak, hogy a Naprendszerünkön kívüli első aszteroidaövet infravörös tartományban tanulmányozzák. Az eredmény azonban sokkal komplexebb képet mutatott, mint ami a Naprendszerben található. A Fomalhaut porgyűrűjét 1983-ban fedezte fel a NASA, Hollandia és az Egyesült Királyság Infrared Astronomical Satellite (IRAS) infravörös űrtávcsöve. A JWST felvételén a csillag körül három gyűrű is látható, amelyek attól 23 milliárd km-es távolságra terjednek ki (ez a Nap–Föld-távolság 150-szerese). A legkülső gyűrű kiterjedése nagyjából kétszerese a Kuiper-övének, amely a Naprendszer kis égitesteket és port tartalmazó tartománya a Neptunusz pályáján kívül. A belső sávok jelenlétét a JWST felvételei fedték fel, korábbi, más műszerekkel (pl. a Hubble űrtávcsővel, a Herschel űrtávcsővel és az Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) távcsőrendszerrel) készített felvételeken nem látszottak. A JWST mérései szükségesek ahhoz, hogy a törmelékkorongok belső, melegebb részeit feltérképezzék, míg a Hubble és ALMA korábbi mérése a külső, hidegebb részekről adtak információt. A porból álló sávok nagyobb égitestek, aszteroidák és üstökösök ütközése során keletkeztek, és törmelékkorongot alkotnak a csillag körül. A sávok szerkezetét valószínűleg a felvételen nem látható bolygók alakították ki, hasonlóan a Naprendszerünkhöz, amelyben a kis égitestek mozgását meghatározzák a nagyobb bolygók. A törmelékkorongok azután alakulnak ki, hogy a bolygók összeállnak a csillag körül. A korongokban lévő por tanulmányozása információt ad az exobolygó-rendszerek szerkezetéről, a JWST pedig az eddigi eredményekkel szemben a korongok legbelső részének szerkezetét is megmutatja.
Bepillantás a Naphoz hasonló csillagok születésébe
A JWST célpontjai a csillagkeletkezési tartományok is, többek között a Ró Ophiuchi felhőkomplexum, amely a Naphoz legközelebbi, 390 fényévre található csillagkeletkezési régió. A felvételen látható részen nagyjából 50 Naphoz hasonló vagy annál kisebb tömegű fiatal csillag található. A legsötétebb területek a legsűrűbbek, ahol a csillagok születésének folyamata zajlik. A fiatal csillagokhoz kapcsolódó hatalmas, vörös színben látszó bipoláris kifúvások is láthatók a felvételen. A kép alsó részén egy nagy tömegű csillag látható, amelynek sugárzása a környezetében ionizálta a gázfelhőt. Ez volt az a felvétel, amelyet a JWST egyéves sikeres működésének alkalmából hoztak nyilvánosságra.
Szenet tartalmazó porszemcsék a korai Univerzumban
A JWST a korai Univerzum megértéséhez is hozzájárul. Szenet tartalmazó porszemcsék nyomait detektálta z=7-es vöröseltolódásnál, ami nagyjából az Univerzum születése utáni egymilliárd éves kornak felel meg. Hasonló komplex molekulák – sokgyűrűs aromás szénhidrogének – már ismertek az Univerzum későbbi korszakaiból. Az nem valószínű, hogy ilyen típusú a komplex molekulák már az Univerzum egymilliárd éves kora előtt létrejöttek, így a JWST mérései inkább grafit- vagy gyémánt-jellegű porszemek jelenlétére utalnak, amelyek az első csillagokban vagy szupernóva-robbanások során keletkeztek. Ezek a mérések a kozmikus por keletkezésével és az első csillagok populációjával kapcsolatban is új perspektívát jelenthetnek.
A JWST felfedezéséhez az vezetett, hogy a szént tartalmazó porszemcsék 217,5 nm-es hullámhosszon elnyelik az ultraibolya sugárzást. Ezt a jelenséget már korábban detektálták a lokális Univerzumban, többek között a Tejútrendszerben, illetve távolabbi galaxisokban z~5 vöröseltolódásig. Kétféle szén alapú molekulának tulajdonították ezt a jelenségek sokgyűrűs aromás szénhidrogénnek, illetve nanométeres grafitszemcséknek. Az előbbi molekulák a modellek szerint több százmillió év alatt keletkeznek, így nem valószínű, hogy a JWST adatai ilyen molekulákra utalnak. A JWST spektrumában a jelenséget egy kis hullámhosszkülönbséggel detektálták, 226,3 nm-en. Az a különbség ugyan a mérési hibán belül van, de ha valódi, arra is utalhat hogy a kozmikus por összetétele a korai Univerzumban más volt, mint a lokális Univerzumban. Az egyik elmélet szerint nanométer méretű gyémántok keletkezhettek szupernóva-robbanás során. A másik elmélet szerint Wolf–Rayet-csillagokban alakultak ki a detektált széntartalmú molekulák. Egyik elmélet se magyaráz meg minden részletet a jelenlegi ismereteink alapján, további mérések és a modellek fejlesztése szükséges.
Ezeket a méréseket a JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) projekt részeként végezték, nagyjából 32 napon át, hogy halvány, távoli galaxisokat elemezzenek. E program keretében több száz galaxist fedeztek fel a korai Univerzumból, annak 600 millió éves kora előtti állapotából.
A Gyűrű-köd lenyűgöző JWST-felvétele
A Gyűrű-köd (más néven M57 vagy NGC 6720) egy planetáris köd, ami bizonyos csilagok körül képződik az életük vége felé ledobott gázból. Az objektum távolsága 2500 fényév. A közeli infravörös tartományban készült felvételen jól látszik a köd belső részének filamentáris a szerkezete, míg középinfravörös hullámhosszakon a köd külső részének koncentrikus sávjai tanulmányozhatók. A ködben 20000 körüli kisebb, molekuláris hidrogénből álló sűrűsödés található. A fő gyűrűben van egy vékony réteg, amely sokgyűrűs aromás szénhidrogéneket tartalmaz. Nagyjából 10 koncentrikus ív látszik a fő gyűrűn kívül. Ezek valószínűleg a központi csillagnak és a tőle nagyságrendileg a Föld–Plútó-távolságra keringő kísérőcsillagának kölcsönhatása során jöttek létre. A köd alakja egy fánkhoz hasonló, amelyre felülről látunk rá. A fő gyűrű abból az anyagból áll, amely az élete vége felé járó csillagról dobódott le. A ködöt létrehozó csillag a fehér törpévé válás útján halad, amely egy nagyon sűrű, kicsi és forró csillag, a Naphoz hasonló csillagok életének végső stádiuma. A JWST részletes felvételein látható objektum már régóta ismert: 1779-ben fedezte fel egymástól függetlenül Antoine Darquier de Pellepoix és Charles Messier egy üstökös követése közben.
Egy fiatal csillag szuperszonikus kifúvásai
A Herbig–Haro 211 (HH 211) bipoláris kifúvásai, amelyek egy fiatal csillagból erednek, szuperszonikus sebességgel haladnak. Az 1000 fényévre lévő objektum az egyik legfiatalabb és legközelebbi fiatal csillaghoz kapcsolódó kifúvás. Ezekben az úgynevezett Herbig–Haro-objektumokban a fiatal csillagok kifúvásai által generált lökéshullámok ütközése látható a környező gázfelhővel. A HH 211 egy néhányszor tízezer éves, Nap-típusú fiatal csillaghoz kapcsolódik, amelynek tömege egyelőre a Napénak mindössze 8%-a (a kifejlett csillag tömege várhatóan a Napéhoz hasonló lesz majd).
A kifúvásokat olyan molekulák sávjában lehet tanulmányozni, amelyek a turbulens környezetben gerjesztett állapotban vannak, mint a molekuláris hidrogén, a szén-monoxid és a szilícium-monoxid.
A JWST felvételén 5-10-szer jobb felbontással látszik a kifúvások szerkezete, mint korábban bármilyen más műszerrel. Jól láthatók mindkét oldalon a lökéshullámok is. A mérések alapján meghatározták, hogy a kifúvások sebessége alacsonyabb, mint más, fejlettebb fiatal csillagoké, a csillaghoz legközelebbi struktúráké 80-100 km/s. Hasonló sebességgel mozog a lökéshullám ütközési helyének anyaga is. A kutatók következtetése szerint ez azt jelenti, hogy a kifúvásokban lévő anyag főleg molekulákat tartalmaz, mivel a lökéshullám sebessége nem elég nagy ahhoz, hogy a molekulákat atomokra és ionokra bontsa.
Láthattuk, hogy nincs a csillagászatnak olyan területe, amelyben a JWST ne tudna újat hozni. Ez a kutatók által az űrtávcsőre beadott távcsőidő-pályázatok számában is meglátszik. A legutóbbi felhívásra 1931 pályázat érkezett be, amelyekben összesen 6008 kutató vett részt 56 különböző országból. A JWST-től tehát továbbra is izgalmas tudományos eredmények és lenyűgöző felvételek várhatók.
Szerző: Nagy Zsófia, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet