Tag: JWST

Czy JWST w końcu znalazł pierwsze gwiazdy we Wszechświecie?

Radosław B. AMBROŻY

W astronomii pierwiastki inne niż wodór i hel nazywane są metalami. Chociaż może to sprawić, że twój nauczyciel chemii w szkole średniej wzdrygnie się, ma to sens dla astronomów. Dwa najlżejsze pierwiastki jako pierwsze pojawiły się we Wszechświecie. Są one atomowymi pozostałościami Wielkiego Wybuchu i stanowią ponad 99% atomów we wszechświecie. Wszystkie inne pierwiastki, od węgla przez żelazo po złoto, powstały w wyniku procesów astrofizycznych. Rzeczy takie jak fuzja jądrowa w jądrach gwiazd, wybuchy supernowych i zderzenia białych karłów i gwiazd neutronowych.

Ponieważ tego typu zdarzenia astrofizyczne miały miejsce w całej historii wszechświata i nadal się zdarzają, udział metali we wszechświecie wzrastał z czasem. Z tego powodu jednym ze sposobów kategoryzacji gwiazd jest ilość metali, które widzimy w ich widmach. Jest znany jako metaliczność gwiazdy. Dzięki metaliczności astronomowie dzielą gwiazdy na trzy szerokie populacje.

Gwiazdy populacji I, podobnie jak nasze Słońce, mają największą ilość metali. Są to na ogół najmłodsze gwiazdy i te, które najprawdopodobniej mają układy planetarne. Gwiazdy II populacji mają mniej metali. Są starszą populacją, więc większość z nich to czerwone karły. W przeszłości było wiele dużych gwiazd II populacji, ale już dawno umarły, pozostawiając białe karły i gwiazdy neutronowe. Obłoki pozostałości tych martwych gwiazd dostarczyły surowca, z którego uformowały się gwiazdy I populacji.

Oba te typy gwiazd były obserwowane w Drodze Mlecznej i innych galaktykach. Ale jest trzecia populacja, której nigdy nie widzieliśmy. Gwiazdy III populacji byłyby naprawdę starożytne. Byłyby pierwszymi gwiazdami, które pojawiły się we wszechświecie, prawie bez metali. Bez cięższych pierwiastków zwiększających ich gęstość, gwiazdy III populacji musiały być potworami. Jasne, niebieskie gwiazdy wodorowo-helowe setki razy masywniejsze od naszego Słońca. Mieliby bardzo jasne, ale bardzo krótkie życie. Prababcia gwiazdy, które wyrzuciły pierwsze metale w kosmos z ich gwałtownym, wybuchowym upadkiem. Wszystkie zniknęły na długo przed uformowaniem się naszego Słońca.

Ale dzięki skończonej prędkości światła, im głębiej patrzymy w kosmos, tym dalej w przeszłość możemy zobaczyć. Tak więc astronomowie badali niektóre z najodleglejszych galaktyk w poszukiwaniu dowodów na istnienie tych pierwszych gwiazd. Teraz, gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest online, uzyskują niesamowity widok niesamowicie odległych galaktyk. Według ostatnich badań, jeden zespół mógł znaleźć pierwszy rzut oka na gwiazdy III populacji.

Zespół przyjrzał się liniom widmowym z obszaru w pobliżu galaktyki znanej jako GN-z11. Jest to jedna z najodleglejszych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, z przesunięciem ku czerwieni około z = 10,6, co oznacza, że widzimy ją w czasie, gdy Wszechświat miał zaledwie 400 milionów lat. To wciąż po powstaniu pierwszych gwiazd, więc znaczna część galaktyki prawdopodobnie składa się z gwiazd populacji II. Ale gwiazdy III populacji mogły nadal formować się w halo gazu otaczającym galaktykę.

Linie widmowe z tego obszaru halo pokazują silną linię HeII 1640, która jest rodzajem linii emitowanej przez hel, gdy jest bardzo gorąco. Normalnie taki gorący gaz międzygwiazdowy będzie miał jasne linie od pierwiastków “metalowych”, ale ten obszar tego nie ma. Tak więc region HeII wydaje się być mieszanką wodoru i helu, która została silnie zjonizowana przez… coś.

Obserwowane widma halo w porównaniu z modelem jonizacji AGN. Źródło: Maiolino, et al

Jedną z możliwości jest to, że obszar halo może być ogrzewany przez aktywne jądra galaktyczne (AGN) w centrum GN-z11, ale szacowana temperatura gazu halo i jego odległość od galaktyki nie pasuje do modelu AGN. Inną alternatywą jest to, że region został zjonizowany przez masywne gwiazdy III populacji. Opierając się na poziomie jonizacji, gwiazdy te byłyby około 500 razy masywniejsze niż Słońce, które znajduje się w hipotetycznym zakresie mas gwiazd PopIII.

To badanie nie wystarczy, aby udowodnić obecność gwiazd populacji III, ale jest to przekonujący argument. Potrzebujemy więcej obserwacji tych odległych galaktyk. A dzięki JWST zaczynamy je zdobywać.

Pobliski układ planetarny widziany w zapierających dech w piersiach szczegółach

Radosław B. AMBROŻY

Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zobrazowania pyłu wokół pobliskiej młodej gwiazdy Fomalhaut, aby zbadać pierwszy pas asteroid zaobserwowany poza naszym Układem Słonecznym w świetle podczerwonym. Ale ku ich zaskoczeniu, pyłowe struktury są znacznie bardziej złożone niż asteroidy i pasy pyłu Kuipera w naszym Układzie Słonecznym. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy zagnieżdżone pasy rozciągające się na 23 miliardy kilometrów od gwiazdy. To 150 razy więcej niż odległość Ziemi od Słońca. Skala najbardziej zewnętrznego pasa jest mniej więcej dwa razy większa niż Pas Kuipera w naszym Układzie Słonecznym, składający się z małych ciał i zimnego pyłu za Neptunem. Wewnętrzne pasy – których nigdy wcześniej nie widziano – zostały odsłonięte przez Webba po raz pierwszy.

Pasy otaczają młodą, gorącą gwiazdę, którą można zobaczyć gołym okiem jako najjaśniejszą gwiazdę w południowym gwiazdozbiorze Piscisa Austrinusa. Pyłowe pasy są szczątkami po zderzeniach większych ciał, analogicznie do asteroid i komet, i są często opisywane jako “dyski szczątków”.

Opisałbym Fomalhaut jako archetyp dysków szczątkowych znalezionych w innych częściach naszej galaktyki, ponieważ ma składniki podobne do tych, które mamy w naszym własnym układzie planetarnym.

Patrząc na wzory w tych pierścieniach, możemy zacząć szkicować to, jak powinien wyglądać układ planetarny – gdybyśmy mogli zrobić wystarczająco głębokie zdjęcie, aby zobaczyć podejrzane planety.mówi András Gáspár z University of Arizona w Tucson i główny autor nowego artykułu opisującego te wyniki.

Kosmiczny Teleskop Hubble’a i Kosmiczne Obserwatorium Herschela, a także Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) wykonały wcześniej ostre zdjęcia najbardziej zewnętrznego pasa. Jednak żaden z nich nie znalazł w nim żadnej struktury wewnętrznej. Wewnętrzne pasy zostały rozwiązane po raz pierwszy przez Webba w świetle podczerwonym.

To, co Webb naprawdę wyróżnia, to to, że jesteśmy w stanie fizycznie oddzielić poświatę termiczną od pyłu w tych wewnętrznych regionach. Można więc zobaczyć wewnętrzne pasy, których nigdy wcześniej nie mogliśmy zobaczyć.powiedział Schuyler Wolff, inny członek zespołu z University of Arizona.

Hubble, ALMA i Webb łączą siły, aby stworzyć całościowy obraz dysków szczątków wokół wielu gwiazd.

Dzięki Hubble’owi i ALMA byliśmy w stanie sfotografować kilka analogów Pasa Kuipera i dowiedzieliśmy się mnóstwa informacji o tym, jak powstają i ewoluują zewnętrzne dyski. Ale potrzebujemy Webba, aby pozwolił nam sfotografować kilkanaście pasów asteroid w innych miejscach.

Możemy dowiedzieć się tak samo wiele o wewnętrznych ciepłych obszarach tych dysków, jak Hubble i ALMA nauczyły nas o chłodniejszych obszarach zewnętrznych. mówi Wolff.

Pasy te najprawdopodobniej są rzeźbione przez siły grawitacyjne wytwarzane przez niewidoczne planety. Podobnie, wewnątrz naszego Układu Słonecznego Jowisz otacza pas asteroid, wewnętrzna krawędź Pasa Kuipera jest wyrzeźbiona przez Neptuna, a zewnętrzna krawędź może być prowadzona przez jeszcze niewidoczne ciała poza nią. Gdy Webb sfotografuje kolejne systemy, dowiemy się o konfiguracjach ich planet.

Pierścień pyłowy Fomalhaut został odkryty w 1983 roku podczas obserwacji wykonanych przez podczerwonego satelitę astronomicznego (IRAS). Istnienie pierścienia zostało również wywnioskowane z wcześniejszych i dłuższych obserwacji na falach submilimetrowych na Mauna Kea na Hawajach, Kosmicznego Teleskopu Spitzera i Obserwatorium Submilimetrowego Caltech.

Pasy wokół Fomalhaut są rodzajem tajemniczej powieści: Gdzie są planety?

Myślę, że nie jest wielkim skokiem stwierdzenie, że prawdopodobnie istnieje naprawdę interesujący układ planetarny wokół gwiazdy.powiedział George Rieke, inny członek zespołu i amerykański kierownik naukowy instrumentu średniej podczerwieni (MIRI), który dokonał tych obserwacji.

Zdecydowanie nie spodziewaliśmy się bardziej złożonej struktury z drugim pasem pośrednim, a następnie szerszym pasem planetoid. Ta struktura jest bardzo ekscytująca, ponieważ za każdym razem, gdy astronom widzi przerwę i pierścienie w dysku, mówi: “Może istnieć osadzona planeta kształtująca pierścienie!dodał Wolff.

Webb sfotografował także to, co Gáspár nazywa “wielką chmurą pyłu”, która może być dowodem na kolizję zachodzącą w zewnętrznym pierścieniu między dwoma ciałami protoplanetarnymi. Jest to inna cecha niż podejrzewana planeta widziana po raz pierwszy wewnątrz zewnętrznego pierścienia przez Hubble w 2008. Późniejsze obserwacje Hubble’a pokazał, że do 2014 roku obiekt zniknął. Prawdopodobna interpretacja jest taka, że ta nowo odkryta struktura, podobnie jak wcześniejsza, jest rozszerzającą się chmurą bardzo drobnych cząstek pyłu z dwóch lodowych ciał, które zderzyły się ze sobą.

Idea dysku protoplanetarnego wokół gwiazdy sięga końca 1700 roku, kiedy astronomowie Immanuel Kant i Pierre-Simon Laplace niezależnie opracowali teorię, że Słońce i planety powstały z rotującej chmury gazu, która zapadła się i spłaszczyła z powodu grawitacji. Dyski szczątków rozwijają się później, po uformowaniu się planet i rozproszeniu pierwotnego gazu w układach. Pokazują, że małe ciała, takie jak asteroidy, zderzają się katastrofalnie i rozdrabniają swoje powierzchnie w ogromne chmury pyłu i innych szczątków. Obserwacje ich pyłu dostarczają unikalnych wskazówek na temat struktury układu egzoplanetarnego, sięgając aż do planet wielkości Ziemi, a nawet planetoid, które są zbyt małe, aby je zobaczyć indywidualnie.

info:webtelescope.org

Protogromada potwierdzona, 650 milionów lat po Wielkim Wybuchu

Radosław B. AMBROŻY

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął rzucać światło na lata formowania się w historii Wszechświata, które do tej pory były poza zasięgiem: powstawanie i składanie galaktyk. Po raz pierwszy protogromada siedmiu galaktyk została potwierdzona w odległości, którą astronomowie nazywają przesunięciem ku czerwieni 7,9, czyli zaledwie 650 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Na podstawie zebranych danych astronomowie obliczyli przyszły rozwój rodzącej się gromady, stwierdzając, że prawdopodobnie będzie ona rosła pod względem wielkości i masy, aby przypominać Gromada Coma, potwór współczesnego wszechświata.

To bardzo szczególne, unikalne miejsce przyspieszonej ewolucji galaktyk, a Webb dał nam bezprecedensową możliwość pomiaru prędkości tych siedmiu galaktyk i pewności potwierdzenia, że są one związane ze sobą w protogromadzie.mówi Takahiro Morishita z IPAC-California Institute of Technology, główny autor badania opublikowanego w Astrophysical Journal Letters.

Precyzyjne pomiary wykonane przez spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec) były kluczem do potwierdzenia łącznej odległości galaktyk i dużych prędkości, z jakimi poruszają się w halo ciemnej materii – około tysiąca kilometrów na sekundę.

Dane spektralne pozwoliły astronomom modelować i mapować przyszły rozwój grupy zbierającej, aż do naszych czasów we współczesnym Wszechświecie. Przewidywanie, że protogromada ostatecznie będzie przypominać Gromadę Coma, oznacza, że może ona ostatecznie należeć do najgęstszych znanych kolekcji galaktyk, z tysiącami członków.

Możemy zobaczyć te odległe galaktyki jak małe krople wody w różnych rzekach i widzimy, że ostatecznie wszystkie staną się częścią jednej dużej, potężnej rzeki.mówi Benedetta Vulcani z Narodowego Instytutu Astrofizyki we Włoszech, inny członek zespołu badawczego.

Gromady galaktyk są największymi skupiskami masy w znanym wszechświecie, które mogą dramatycznie wypaczyć strukturę samej czasoprzestrzeni. To zakrzywienie, zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, może mieć efekt powiększający dla obiektów poza gromadą, pozwalając astronomom patrzeć przez gromadę jak gigantyczne szkło powiększające. Zespół badawczy był w stanie wykorzystać ten efekt, przeglądając gromadę Pandory, aby zobaczyć protogromadę; nawet potężne instrumenty Webba potrzebują pomocy natury, aby widzieć tak daleko. Zbadanie, w jaki sposób duże gromady, takie jak Pandora i Coma, po raz pierwszy się połączyły, było trudne ze względu na rozszerzanie się Wszechświata rozciągające światło poza widzialne długości fal do podczerwieni, gdzie astronomom brakowało danych o wysokiej rozdzielczości przed Webbem. Instrumenty podczerwone Webba zostały opracowane specjalnie w celu wypełnienia tych luk na początku historii wszechświata.

Siedem galaktyk potwierdzonych przez Webba zostało po raz pierwszy ustalonych jako kandydatki do obserwacji przy użyciu danych z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a Program Frontier Fields. Program poświęcił czas Hubble’a na obserwacje za pomocą soczewkowania grawitacyjnego, aby szczegółowo obserwować bardzo odległe galaktyki. Ponieważ jednak Hubble nie może wykryć światła poza bliską podczerwienią, jest tylko tyle szczegółów, ile może zobaczyć. Webb podjął badania, koncentrując się na galaktykach badanych przez Hubble’a i zbierając szczegółowe dane spektroskopowe oprócz zdjęć.

Zespół badawczy przewiduje, że przyszła współpraca między Webbem a Nancy Gray Roman Space Telescope, misja przeglądowa o wysokiej rozdzielczości i szerokim polu, przyniesie jeszcze więcej wyników we wczesnych gromadach galaktyk. Dzięki 200-krotnemu polu widzenia podczerwieni Hubble’a w jednym ujęciu, Nancy Gray Roman Space Telescope będzie w stanie zidentyfikować więcej kandydatów na galaktyki protogromady, co Webb może śledzić, aby potwierdzić za pomocą swoich instrumentów spektroskopowych. Misja Nancy Gray Roman Space Telescope ma obecnie wystartować do maja 2027 roku.

To niesamowite, o jakiej nauce możemy teraz marzyć, teraz, gdy mamy Webba. Dzięki tej małej protogromadzie siedmiu galaktyk, w tak dużej odległości, mieliśmy stuprocentowy wskaźnik potwierdzenia spektroskopowego, demonstrując przyszły potencjał mapowania ciemnej materii i wypełniając oś czasu wczesnego rozwoju Wszechświata.powiedział Tommaso Treu z University of California w Los Angeles, członek zespołu badawczego protogromady.
info:Webbtelescope.org

Webb ujawnia nigdy wcześniej nie widziane szczegóły w Cassiopeia A

Radosław B. AMBROŻY

Eksplozja gwiazdy jest dramatycznym wydarzeniem, ale szczątki, które pozostawia po sobie gwiazda, mogą być jeszcze bardziej dramatyczne. Nowe zdjęcie w średniej podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dostarcza oszałamiającego przykładu. Pokazuje pozostałość po supernowej Cassiopeia A (Cas A), powstałą w wyniku gwiezdnej eksplozji 340 lat temu z perspektywy Ziemi. Cas A jest najmłodszą znaną pozostałością po eksplodującej, masywnej gwieździe w naszej galaktyce, co czyni ją wyjątkową okazją, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak powstają takie supernowe.

Cas A stanowi naszą najlepszą okazję, aby przyjrzeć się polu szczątków eksplodującej gwiazdy i przeprowadzić rodzaj gwiezdnej autopsji, aby wcześniej zrozumieć, jaki typ gwiazdy tam był i jak ta gwiazda eksplodowała.mówi Danny Milisavljevic z Purdue University w West Lafayette w stanie Indiana, główny badacz programu Webba, który uchwycił te obserwacje.

“W porównaniu z poprzednimi zdjęciami w podczerwieni widzimy niesamowite szczegóły, do których wcześniej nie byliśmy w stanie uzyskać dostępu” – dodała Tea Temim z Princeton University w Princeton w stanie New Jersey, współbadaczka programu.

Cassiopeia A jest prototypową pozostałością po supernowej, która była szeroko badana przez wiele obserwatoriów naziemnych i kosmicznych, w tym NASA Obserwatorium rentgenowskie Chandra. Obserwacje na wielu długościach fali można łączyć, aby zapewnić naukowcom pełniejsze zrozumienie pozostałości.

Uderzające kolory nowego obrazu Cas A, w którym światło podczerwone jest tłumaczone na długości fal światła widzialnego, zawierają bogactwo informacji naukowych, które zespół dopiero zaczyna poznawać. Na zewnątrz bańki, szczególnie na górze i po lewej stronie, leżą zasłony z materiału wyglądającego na pomarańczowy i czerwony z powodu emisji ciepłego pyłu. Oznacza to, gdzie wyrzucona materia z eksplodującej gwiazdy wbija się w otaczający ją gaz i pył. Wewnątrz tej zewnętrznej skorupy leżą cętkowane włókna jasnoróżowego wysadzanego kępami i węzłami. Reprezentuje to materię z samej gwiazdy, która świeci z powodu mieszanki różnych ciężkich pierwiastków, takich jak tlen, argon i neon, a także emisji pyłu.

Wciąż próbujemy rozwikłać wszystkie te źródła emisji.powiedziała Ilse De Looze z Uniwersytetu w Gandawie w Belgii, inna współbadaczka programu.

Materia gwiazdowa może być również widoczna jako słabsze pasma w pobliżu wnętrza jamy.

Być może najbardziej widoczna jest pętla reprezentowana na zielono rozciąga się po prawej stronie centralnej wnęki.

Nazwaliśmy go Zielonym Potworem na cześć Fenway Park w Bostonie. Jeśli przyjrzysz się uważnie, zauważysz, że jest podziobany czymś, co wygląda jak mini-bąbelki. Kształt i złożoność są nieoczekiwane i trudne do zrozumienia.powiedział Milisavljevic.

Wśród pytań naukowych, na które Cas A może pomóc odpowiedzieć, jest: Skąd pochodzi pył kosmiczny? Obserwacje wykazały, że nawet bardzo młode galaktyki we wczesnym Wszechświecie są wypełnione ogromnymi ilościami pyłu. Trudno wyjaśnić pochodzenie tego pyłu bez przywoływania supernowych, które wyrzucają duże ilości ciężkich pierwiastków (bloków budulcowych pyłu) w przestrzeni kosmicznej. Jednak istniejące obserwacje supernowych nie były w stanie jednoznacznie wyjaśnić ilości pyłu, który widzimy w tych wczesnych galaktykach. Badając Cas A z Webbem, astronomowie mają nadzieję lepiej zrozumieć zawartość pyłu, co może pomóc nam zrozumieć, gdzie powstają bloki budulcowe planet i nas samych.

W Cas A możemy przestrzennie rozdzielić regiony, które mają różny skład gazu i przyjrzeć się, jakie rodzaje pyłu powstały w tych regionach.wyjaśnia Temim.

Supernowe, takie jak ta, która uformowała Cas A, są kluczowe dla życia, jakie znamy. Rozprzestrzeniają pierwiastki takie jak wapń, który znajdujemy w naszych kościach i żelazo w naszej krwi w przestrzeni międzygwiezdnej, zasiewając nowe generacje gwiazd i planet.

Rozumiejąc proces wybuchania gwiazd, czytamy naszą własną historię pochodzenia. Zamierzam spędzić resztę mojej kariery, próbując zrozumieć, co jest w tym zestawie danych.mówi Milisavljevic.

Pozostałość Cas A rozciąga się na około 10 lat świetlnych i znajduje się 11 000 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Kasjopei.