Teleskop Jamesa Webb’a pokazuje księżyc Saturna – Tytan

24 sierpnia ważny instrument na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) uległ awarii, co skłoniło zespół misji do wyłączenia go. Problem pojawił się, gdy instrument średniej podczerwieni (MIRI) doświadczył zwiększonego tarcia w jednym z kół w trybie spektroskopii średniej rozdzielczości (MRS). Zespół misji wyłączył MIRI na czas próby zdiagnozowania problemu, opuszczając obserwatorium, aby kontynuować obserwacje w innych trybach.

Nastąpiło to wkrótce po tym, jak Webb został uderzony przez mikrometeoroid pod koniec maja, który spowodował uszkodzenie jednego z jego głównych segmentów zwierciadła. Na szczęście spowodowane przez to uszkodzenia nie wpłyną na działanie teleskopu, a zespół misji ogłosił na początku tego miesiąca, że ​​przywrócił MIRI do stanu operacyjnego. Wówczas Webb ponownie skierował swoją optykę na podczerwień w kosmos i wykonał zapierające dech w piersiach zdjęcia. Obejmuje to nowe zdjęcie największego księżyca Saturna, Tytana.

Obraz został przetworzony i pokazany przez dr Michaela Radke. Według Radke, zdjęcie zostało wykonane między 4 a 5 listopada, podwoił skalę i dodał czerwony, zielony i niebieski, aby przedstawić różne długości fal (R = 4,8 um, G = 2,1 um, B = 1,4 um). Wartości te zostały określone na podstawie spektrometru VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) misji Cassini.

Kolory te wydają się odpowiadać widmu absorpcji tlenku węgla (zielony), metanu (niebieski) i azotu (czerwony), gazów, które tworzą większość atmosfery Tytana. Tytan również wydaje się być oświetlony od lewego górnego rogu zdjęcia, co stwarza wrażenie wschodu słońca. To zdjęcie daje również wgląd w rodzaje operacji naukowych, które Webb przeprowadzi z Tytanem i innymi ciałami w naszym Układzie Słonecznym. Jego potężne instrumenty oraz możliwości obrazowania w bliskiej i średniej podczerwieni pozwolą astronomom na szczegółowe badanie składu chemicznego atmosfery. Tytan jest szczególnie interesujący, ponieważ jest jedynym księżycem z solidną atmosferą – gdzie ciśnienie powietrza jest około 50% większe niż na Ziemi. Podobnie jak Ziemia, atmosfera Tytana składa się głównie z gazowego azotu (94%), a węglowodory, takie jak metan, stanowią drugą co do wielkości frakcję (5,65%).

Tytan jest jedynym (obok Ziemi) ciałem w Układzie Słonecznym z cyklem opadów i parowania. Podczas gdy Ziemia ma cykl wodny, Tytan ma cykl metanowy, w którym metan tworzy chmury w atmosferze Księżyca, opada na powierzchnię w postaci deszczu i uzupełnia jeziora metanowe. Ponadto atmosfera Tytana jest bogata w procesy chemiczne, ponieważ węglowodory są rozkładane przez promieniowanie słoneczne na ich składniki (tj. węgiel, wodór, tlen i azot), a następnie tworzą nowe cząsteczki, które przenikają i osadzają się na powierzchni.

Atmosfera i powierzchnia Tytana również posiadają coś, czego nie posiada żadne ciało poza Ziemią: bogate środowisko prebiotyczne i chemię organiczną. Z tego powodu astrobiolodzy podejrzewają, że Tytan może być jednym z najbardziej obiecujących miejsc do poszukiwania życia pozaziemskiego. Z tych powodów Webb potrzebuje sprawnych instrumentów, w szczególności MIRI i spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec). Zdobędą one bardzo precyzyjne widma z atmosfery Tytana, aby obserwować te cząsteczki i procesy w pracy.

Badania te będą opierać się na wcześniejszych wysiłkach wspólnej misji NASA-ESA Cassini-Huygens, która badała Saturna i jego satelity w latach 2004-2017. Zarówno orbiter, jak i lądownik dogłębnie zbadały atmosferę Tytana i dokonały wielu ważnych odkryć. Bardziej szczegółowe informacje, które uzyska Webb, zostaną wykorzystane do zbadania sezonowych cykli Tytana, prowadząc do bardziej szczegółowych modeli klimatycznych. Pomoże to utorować drogę misjom takim jak wiropłat Dragonfly NASA, który wystartuje dla Tytana w 2027 roku.

Webb ujawnia atmosferę egzoplanety, jakiej nigdy wcześniej nie widziano

WASP-39 b to planeta niepodobna do żadnej innej w naszym Układzie Słonecznym – gigant wielkości Saturna, który okrąża swoją gwiazdę bliżej Słońca niż Merkury. Ta egzoplaneta była jedną z pierwszych zbadanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, kiedy rozpoczął regularne operacje naukowe. Wyniki podekscytowały społeczność naukową zajmującą się egzoplanetami. Niezwykle czułe instrumenty Webba dostarczyły profil składników atmosfery WASP-39 b i zidentyfikowały mnóstwo zawartości, w tym wodę, dwutlenek siarki, tlenek węgla, sód i potas. Odkrycia dobrze wróżą zdolności instrumentów Webba do prowadzenia szerokiego zakresu badań wszystkich typów egzoplanet, w tym małych, skalistych światów, takich jak te w układzie TRAPPIST-1.

Podczas gdy Webb i inne teleskopy kosmiczne, w tym Hubble i Spitzer, wcześniej ujawniły pojedyncze składniki atmosfery tej gorącej planety, nowe odczyty z Webba dostarczają pełnego menu atomów, cząsteczek, a nawet oznak aktywnej chemii i chmur. Najnowsze dane dają również wskazówkę, jak te chmury mogą wyglądać z bliska: rozbite, a nie pojedynczy, jednolity koc pokrywający planetę.

Szereg bardzo czułych instrumentów teleskopu został skierowany na atmosferę WASP-39 b, „gorącego Saturna” krążącego wokół gwiazdy oddalonej o około 700 lat świetlnych. Odkrycia dobrze wróżą zdolności instrumentów Webba do prowadzenia szerokiego zakresu badań wszystkich typów egzoplanet – planet krążących wokół innych gwiazd – na co liczyła społeczność naukowa. Obejmuje to badanie atmosfer mniejszych, skalistych planet, takich jak te w układzie TRAPPIST-1.

Obserwowaliśmy egzoplanetę za pomocą wielu instrumentów, które razem zapewniają szeroki zakres widma w podczerwieni i wachlarz chemicznych odcisków palców niedostępnych do tej misji. Dane takie jak te zmieniają reguły gry. powiedziała Natalie Batalha, astronom z University of California w Santa Cruz, która przyczynił się i pomógł koordynować nowe badania.

Wśród bezprecedensowych odkryć jest pierwsze wykrycie w atmosferze egzoplanety dwutlenku siarki (SO 2 ), cząsteczki powstałej w wyniku reakcji chemicznych wyzwalanych przez wysokoenergetyczne światło gwiazdy macierzystej planety. Na Ziemi w podobny sposób powstaje ochronna warstwa ozonowa w górnych warstwach atmosfery.

Po raz pierwszy widzimy konkretne dowody fotochemii – reakcji chemicznych inicjowanych przez energetyczne światło gwiazd – na egzoplanetach. Postrzegam to jako naprawdę obiecującą perspektywę dla pogłębienia naszej wiedzy o atmosferach egzoplanet dzięki tej misji. powiedział Shang-Min Tsai, badacz z University of Oxford w Wielkiej Brytanii i główny autor artykułu wyjaśniającego zjawisko pochodzenia dwutlenku siarki w atmosferze WASP-39 b.

Doprowadziło to do kolejnego przełomu: naukowcy zastosowali komputerowe modele fotochemii do danych, które wymagają pełnego wyjaśnienia takiej fizyki. Wynikające z tego ulepszenia modelowania pomogą w zdobyciu technologicznego know-how w celu interpretacji potencjalnych oznak możliwości zamieszkania w przyszłości.

Planety są rzeźbione i przekształcane podczas orbitowania w kąpieli radiacyjnej gwiazdy macierzystej. Na Ziemi te przemiany umożliwiają rozwój życia. powiedział Batalha.

Bliskość planety do gwiazdy macierzystej – osiem razy bliżej niż Merkury do naszego Słońca – sprawia, że ​​jest to również laboratorium do badania wpływu promieniowania gwiazd macierzystych na egzoplanety. Lepsza wiedza o powiązaniach gwiazda-planeta powinna pozwolić na głębsze zrozumienie, w jaki sposób procesy te wpływają na różnorodność planet obserwowanych w galaktyce.

Aby zobaczyć światło z WASP-39 b, Webb śledził planetę, gdy przechodziła przed swoją gwiazdą, pozwalając części światła gwiazdy przefiltrować przez atmosferę planety. Różne rodzaje substancji chemicznych w atmosferze pochłaniają różne kolory widma światła gwiazd, więc brakujące kolory mówią astronomom, które cząsteczki są obecne. Oglądając wszechświat w świetle podczerwonym, Webb może wykryć chemiczne odciski palców, których nie można wykryć w świetle widzialnym. Inne składniki atmosferyczne wykryte przez teleskop Webba to sód (Na), potas (K) i para wodna (H 2 O), potwierdzając wcześniejsze obserwacje z kosmosu i naziemnych teleskopów, a także znajdując dodatkowe odciski palców wody, w tych dłuższych długości fal, których wcześniej nie widziano.

Webb zaobserwował również dwutlenek węgla (CO 2 ) w wyższej rozdzielczości, dostarczając dwa razy więcej danych, niż podał z poprzednich obserwacji . W międzyczasie wykryto tlenek węgla (CO), ale oczywiste sygnatury zarówno metanu (CH 4 ), jak i siarkowodoru (H 2 S) były nieobecne w danych Webba. Jeśli są obecne, cząsteczki te występują na bardzo niskich poziomach. Aby uchwycić to szerokie spektrum atmosfery WASP-39 b, międzynarodowy zespół liczący setki niezależnie przeanalizował dane z czterech precyzyjnie skalibrowanych trybów instrumentu teleskopu Webba.

Przewidywaliśmy, co pokaże nam [teleskop], ale było to dokładniejsze, bardziej zróżnicowane i piękniejsze, niż sądziłem.powiedziała Hannah Wakeford, astrofizyk z University of Bristol w Wielkiej Brytanii, która bada atmosfery egzoplanet.

Posiadanie tak kompletnej listy składników chemicznych w atmosferze egzoplanety daje naukowcom również wgląd w obfitość różnych pierwiastków względem siebie, takich jak stosunek węgla do tlenu lub potasu do tlenu. To z kolei daje wgląd w to, jak ta planeta – i być może inne – uformowała się z dysku gazu i pyłu otaczającego gwiazdę macierzystą w jej młodszych latach. Inwentarz chemiczny WASP-39 b sugeruje historię zderzeń i łączenia mniejszych ciał zwanych planetozymalami, aby stworzyć ostatecznego goliata planety.

Obfitość siarki [w stosunku do] wodoru wskazuje, że planeta prawdopodobnie doświadczyła znacznego nagromadzenia planetozymali, które mogą dostarczać [te składniki] do atmosfery. Dane wskazują również, że tlenu jest dużo więcej niż węgla w atmosferze. To potencjalnie wskazuje, że WASP-39 b pierwotnie uformował się daleko od gwiazdy centralnej.powiedział Kazumasa Ohno, badacz egzoplanet z UC Santa Cruz, który pracował nad danymi Webba.

Przy tak precyzyjnym analizowaniu atmosfery egzoplanet instrumenty teleskopu Webba działały znacznie powyżej oczekiwań naukowców – i obiecują nową fazę eksploracji szerokiej gamy egzoplanet w galaktyce.

Będziemy w stanie zobaczyć pełny obraz atmosfer egzoplanet. To niesamowicie ekscytujące wiedzieć, że wszystko zostanie napisane od nowa. To jedna z najlepszych części bycia naukowcem.powiedziała Laura Flagg, badaczka z Cornell University i członkini międzynarodowego zespołu.

Przyrządy w podczerwieni teleskopu Webb’a badają ostateczną granicę.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, należący do NASA, znalazł nieoczekiwanie bogaty „nieodkryty rejon” wczesnych galaktyk, który do tej pory był w dużej mierze ukryty.

Webb odsłania bardzo bogaty Wszechświat, w którym pierwsze formujące się galaktyki wyglądają zupełnie inaczej niż dojrzałe galaktyki widoczne wokół nas dzisiaj. Naukowcy odkryli dwie wyjątkowo jasne galaktyki, które istniały około 350 i 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ich ekstremalna jasność jest zagadkowa dla astronomów. Młode galaktyki niezwykle szybko przekształcają gaz w gwiazdy. Wydają się zwarte w kuliste lub dyskowe kształty, które są znacznie mniejsze niż nasza Droga Mleczna. Początek narodzin gwiazd mógł rozpocząć się zaledwie 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu, który miał miejsce 13,8 miliarda lat temu.

Dalsze obserwacje spektroskopowe za pomocą Webba powinny potwierdzić odległości do tych odległych galaktyk, a także ujawnić tempo powstawania gwiazd i obfitość pierwiastków w składzie wczesnych gwiazd.

Kilka dni po oficjalnym rozpoczęciu działalności naukowej, należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba przeniósł astronomów w sferę wczesnych galaktyk, wcześniej ukrytych przed wszystkimi innymi teleskopami aż do teraz.

Wszystko, co widzimy, jest nowe. Webb pokazuje nam, że istnieje bardzo bogaty wszechświat, wykraczający poza to, co sobie wyobrażaliśmy. Po raz kolejny wszechświat nas zaskoczył. Te wczesne galaktyki są bardzo niezwykłe pod wieloma względami.powiedział Tommaso Treu z University of California w Los Angeles, główny badacz jednego z programów Webba.

W ciągu zaledwie czterech dni analizy naukowcy odkryli dwie wyjątkowo jasne galaktyki na zdjęciach GLASS-JWST. Galaktyki te istniały około 450 i 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu (z przesunięciem ku czerwieni odpowiednio około 10,5 i 12,5), chociaż przyszłe pomiary spektroskopowe za pomocą Webba pomogą to potwierdzić.

Dzięki Webb byliśmy zdumieni, gdy znaleźliśmy najodleglejsze światło gwiazd, jakie ktokolwiek kiedykolwiek widział, zaledwie kilka dni po tym, jak Webb opublikował swoje pierwsze dane.powiedział Naidu o bardziej odległej galaktyce GLASS, określanej jako GLASS-z12, która, jak się uważa, do tej pory 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Poprzednim rekordzistą była galaktyka GN-z11, która istniała 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni 11,1) i została zidentyfikowana w 2016 roku przez Obserwatorium Hubble’a i Kecka w programach głębokiego nieba.

Opierając się na wszystkich przewidywaniach, pomyśleliśmy, że musimy przeszukać znacznie większy obszar przestrzeni, aby znaleźć takie galaktyki.powiedział Castellano.

Te obserwacje po prostu sprawiają, że głowa eksploduje. To zupełnie nowy rozdział w astronomii. To jak wykopaliska archeologiczne i nagle znajdujesz zaginione miasto lub coś, o czym nie wiedziałeś. To po prostu oszałamiające.dodała Paola Santini.

Podczas gdy odległości tych wczesnych źródeł nadal wymagają potwierdzenia za pomocą spektroskopii, ich ekstremalne jasności są prawdziwą zagadką, kwestionującą nasze rozumienie formowania się galaktyk.zauważył Pascal Oesch z Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii.

Obserwacje Webba skłaniają astronomów do konsensusu, że niezwykła liczba galaktyk we wczesnym Wszechświecie była o wiele jaśniejsza niż oczekiwano. Ułatwi to Webbowi znalezienie jeszcze większej liczby wczesnych galaktyk w kolejnych przeglądach głębokiego nieba, twierdzą naukowcy.

Udało nam się coś niewiarygodnie fascynującego. Te galaktyki musiały zacząć się łączyć może zaledwie 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nikt nie spodziewał się, że średniowiecze skończy się tak wcześnie. Pierwotny wszechświat miałby zaledwie jedną setną swojego obecnego wieku. To ułamek czasu w ewoluującym kosmosie, który ma 13,8 miliarda lat.powiedział Garth Illingworth z University of University. of California w Santa Cruz, członek zespołu Naidu/Oesch.

Erica Nelson z University of Colorado w Boulder, członkini zespołu Naidu/Oesch, zauważyła, że ​​„nasz zespół był pod wrażeniem możliwości zmierzenia kształtów tych pierwszych galaktyk; ich spokojne, uporządkowane dyski kwestionują nasze zrozumienie, w jaki sposób pierwsze galaktyki powstały w zatłoczonym, chaotycznym wczesnym Wszechświecie”. To niezwykłe odkrycie dysków kompaktowych w tak wczesnych czasach było możliwe tylko dzięki znacznie ostrzejszym obrazom Webba w świetle podczerwonym w porównaniu z Hubble’em.

Te galaktyki bardzo różnią się od Drogi Mlecznej lub innych dużych galaktyk, które widzimy dzisiaj wokół nas.powiedział Treu.

Naukowcy podkreślili, że dwie jasne galaktyki znalezione przez te zespoły mają dużo światła. Jedną z opcji jest to, że mogły być bardzo masywne, z wieloma gwiazdami o małej masie, takimi jak późniejsze galaktyki. Alternatywnie, mogą być znacznie mniej masywne i składać się ze znacznie mniejszej liczby niezwykle jasnych gwiazd, znanych jako gwiazdy populacji III. Od dawna teoretyzowano, że byłyby pierwszymi gwiazdami, jakie kiedykolwiek się narodziły, płonącymi w zawrotnych temperaturach i składającymi się wyłącznie z pierwotnego wodoru i helu – zanim gwiazdy mogłyby później wytworzyć cięższe pierwiastki w swoich jądrach w procesie syntezy jądrowej. We Wszechświecie lokalnym nie widać tak ekstremalnie gorących, pierwotnych gwiazd.

Rzeczywiście, najdalsze źródło jest bardzo zwarte, a jego kolory wydają się wskazywać, że jego gwiezdna populacja jest szczególnie pozbawiona ciężkich pierwiastków i może nawet zawierać gwiazdy z III populacji. Tylko widmo Webba powie.powiedział Adriano Fontana, drugi autor Castellano i in. referat i członek zespołu GLASS-JWST.

Obecne oszacowania odległości Webba do tych dwóch galaktyk opierają się na pomiarach ich przesunięć w podczerwieni. Ostatecznie dalsze pomiary spektroskopowe pokazujące, jak światło zostało rozciągnięte w rozszerzającym się Wszechświecie, zapewnią niezależną weryfikację tych kosmicznych pomiarów.

Instrument NIRCam Webba pokazuje początek ewolucji protogwiazdy

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ujawnił nowe szczegóły otaczające ciemną chmurę L1527 i jej protogwiazdę. Żywe kolory mgławicy, widoczne tylko w świetle podczerwonym, pokazują, że protogwiazda jest w trakcie gromadzenia materii na drodze do stania się pełnoprawną gwiazdą.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA ujawnił niegdyś ukryte cechy protogwiazdy w ciemnym obłoku L1527, zapewniając wgląd w początki formowania się nowej gwiazdy. Te płonące chmury w obszarze gwiazdotwórczym Byka są widoczne tylko w świetle podczerwonym, co czyni go idealnym celem dla kamery bliskiej podczerwieni Webba (NIRCam). Sama protogwiazda jest ukryta w „szyi” tej klepsydry. Skierowany krawędzią dysk protoplanetarny jest widoczny jako ciemna linia biegnąca przez środek szyi. Światło z protogwiazdy przecieka powyżej i poniżej tego dysku, oświetlając puste przestrzenie w otaczającym je gazie i pyle. Najbardziej rozpowszechnione cechy tego regionu, obłoki w kolorze niebieskim i pomarańczowym na tym reprezentatywnym obrazie w podczerwieni, zarysowują puste przestrzenie utworzone, gdy materia odrywa się od protogwiazdy i zderza z otaczającą ją materią. Same kolory są spowodowane warstwami pyłu między Webbem a chmurami. Niebieskie obszary to miejsca, w których pył jest najcieńszy. Im grubsza warstwa pyłu, tym mniej niebieskiego światła może się wydostać, tworząc pomarańczowe kieszenie.

Webb ujawnia również włókna wodoru cząsteczkowego, które uległy wstrząsowi, gdy protogwiazda wyrzuca z siebie materię. Wstrząsy i turbulencje hamują powstawanie nowych gwiazd, które w innym przypadku powstałyby w całym obłoku. W rezultacie protogwiazda dominuje w przestrzeni kosmicznej, zabierając dla siebie większość materii. Pomimo chaosu, jaki powoduje L1527, ma tylko około 100 000 lat – stosunkowo młode ciało. Biorąc pod uwagę jej wiek i jasność w dalekiej podczerwieni obserwowanej przez takie misje jak Infrared Astronomical Satellite, L1527 jest uważana za protogwiazdę klasy 0, najwcześniejszy etap formowania się gwiazd. Takie protogwiazdy, które wciąż są otoczone ciemnym obłokiem pyłu i gazu, mają przed sobą długą drogę, zanim staną się pełnoprawnymi gwiazdami. L1527 nie generuje jeszcze własnej energii poprzez syntezę jądrową wodoru, co jest istotną cechą gwiazd. Jej kształt, choć w większości kulisty, jest również niestabilny, przybierając postać małej, gorącej i puszystej bryły gazu o masie od 20 do 40% masy naszego Słońca.

Gdy protogwiazda nadal gromadzi masę, jej jądro stopniowo się kurczy i zbliża do stabilnej fuzji jądrowej. Scena pokazana na tym obrazie pokazuje, że L1527 właśnie to robi. Otaczający ją obłok molekularny składa się z gęstego pyłu i gazu przyciąganego do centrum, w którym znajduje się protogwiazda. Gdy materiał opada, zawija się spiralnie wokół środka. Tworzy to gęsty dysk materii, znany jako dysk akrecyjny, który dostarcza materię do protogwiazdy. W miarę jak nabiera większej masy i dalej się kompresuje, temperatura jego jądra wzrośnie, ostatecznie osiągając próg rozpoczęcia syntezy jądrowej.

Dysk widoczny na zdjęciu jako ciemny pas przed jasnym środkiem ma rozmiary zbliżone do naszego Układu Słonecznego. Biorąc pod uwagę gęstość, nie jest niczym niezwykłym zlepianie się dużej części tego materiału – początki planet. Ostatecznie ten widok L1527 daje wgląd w to, jak nasze Słońce i Układ Słoneczny wyglądały w powijakach.