Серия «James Webb Space Telescope. 2023H1»

1. Самая химически примитивная галактика

Галактики в скоплении SMACS 0723

Год для программы JWST начался с того, что было объявлено об обнаружении самой химически примитивной галактики, свет от которой шел 13,1 млрд лет. Благодаря спектрографу NIRSpec ученые получили данные о химическом составе. Галактики состоят из кислорода, водорода и неона. Также впервые было измерено содержание кислорода. В двух галактиках его количество составляет 20% от уровня Млечного Пути. Но в третьей зафиксировано лишь 2%, что возможно делает ее самой примитивной среди всех обнаруженных.

2. Экзопланета LHS 475 b

Кривая света во время транзита планеты по диску звезды

JWST понадобилось всего 2 транзита экзопланеты LHS 475 b по диску красного карлика, чтобы подтвердить ее наличие. Напомню, что транзитный метод — это один из популярных способов обнаружения экзопланет. Планета, проходя по диску звезды, затмевает часть света от своего Солнца. Это фиксируется приборами телескопов и может говорить о том, что у звезды есть экзопланета.

Размер LHS 475 b составляет 99% от диаметра Земли. Находится она в 41 световых лет от нас. Пока ученые не могу сделать вывод о наличии атмосферы. Но тем не менее уже ясно, что экзопланета на несколько сотен градусов горячее Земли. Поэтому если, например, будут обнаружены облака, то ученые придут к выводу, что скорее планета похожа на Венеру с ее углекислотной атмосферой.

3. Кольца у астероида Харикло

Кривая блеска звезды GAIA DR3 6873519665992128512 во время покрытия астероидом Харикло

Покрытие звезды астероидом Харикло

Примерно этим же способом Джеймс Уэббу удалось подтвердить наличие колец у астероида Харикло. Харикло — самый крупный астероид из группы кентавров, которые находятся между орбитами Юпитера и Нептуна. Его диаметр равен 250 километрам, а кольца вращаются на расстоянии 400 километров от центра. Ему удалось зафиксировать падение яркости звезды во время прохождения колец Харикло по диску звезды точно в соответствии с прогнозом. Как видно на инфографике покрытие произошло именно кольцами астероида. Сам Харикло прошел рядом со звездой. Помимо этого было обнаружено большое количество водяного льда в кольцах.

4. Случайное открытие астероида

Художественная иллюстрация открытого астероида

В феврале агенство рассказало о забавном случае. Во время калибровки приборов NASA случайно открыло новый объект в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Сперва ученые приняли данные за ошибку из-за неточного наведения, но в итоге был обнаружен новый астероид размером около 100-200 метров, что составляет размеры римского Колизея.

5. Силикатные облака в атмосфере экзопланеты

Спеткроскопия экзопланеты VHS 1256

Анализирую линии спектра ученые обнаружили силикатные облака в атмосфере экзопланеты VHS 1256, находящиеся на расстоянии 40 световых лет.

Помимо этого астрономы обнаружили воду, метан, угарный и углекислые газы. Это самое большое количество молекул, когда-либо идентифицированных одновременно на планете за пределами Солнечной системы.

Из-за низкой гравитации силикатные облака планеты VHS 1256 b расположены достаточно высоко над поверхностью, что легко позволяет Уэббу изучить их. К тому же экзопланета вращается вокруг пары звезд на расстоянии примерно в 4 раза дальше, чем от Плутона до Солнца. Благодаря этому ученые смогли наблюдать ее напрямую без использования транзитного метода или коронографа.

6. Trappist-1b

Trappist-1 b на основе полученных данных.

Особенное внимание общественности привлекает система TRAPPIST-1. Не удвивительно, ведь целых три экзопланеты находятся в обитаемой зоне. Это значит, что условия на них могут быть достаточно близкие к земным условиям, которые могут обеспечивать существование воды в жидком виде. Но сейчас поговорим о ближайшей к звезде планете TRAPPIST-1b, которая НЕ находится в зоне обитания. Вращается планета на расстоянии 0.011 а.е (1 650 000 км). Каменистый TRAPPIST-1b немного больше Земли, но имеет примерно такую же плотность.
Измерения показали, что экзопланета нагревается до 227 °C и не имеет своей атмосферы. Как же ученые это поняли?

Первоначально они смоделировали свойства экзопланеты с наличием атмосферы и без нее, основываясь на характеристиках всей системы, включая температуру звезды и различные орбитальные свойства тел. Выяснилось, что если бы у экзопланеты была атмосфера, распределяющая тепло, ее температура должна была быть намного ниже полученной. Результаты также говорят и о том, что экзопланета находится в приливном захвате звезды и всегда повернута к ней одной стороной, как Луна повернута к Земле, а также о крайне темной поверхности и об отсутствии перераспределения тепла с дневной стороны на ночную. Измерения проводились с помощью описанного выше транзитного метода.

7. Новые крайне удаленные галактики

Новые галактики в области Abel 2744

Уже привычное дело для JWST, поиск крайне старых и удаленных галактик. Анализируя полученные данные, ученые обнаружили еще 7 новых галактик в области Abel 2744 со средним значением красного смещения z=10, что говорит о том, что галактики образовались всего спустя 450 млн лет после большого взрыва. Подобные открытия уже перестали удивлять, можно зайти на страницу Википедии о самых удаленных галактиках и понять, какую революцию в этом направлении совершает телескоп.

8. Протокластер из 7 галактик

Протокластер галактик

Впервые был обнаружен и целый протокластер галактик, образовавшийся всего спустя 650 млн после Большого Взрыва. Благодаря спектрографу NIRSpec ученым удалось измерить скорости всех семи галактик и подтвердить, что они связаны вместе в одном протокластере. По оценкам галактики движутся со скоростью около 1000 км/c. Скопления галактик — чрезвычайно тяжелые структуры Вселенной, которые могут искажать пространство-время, тем самым вызывая эффект гравитационного линзирования, чем, как мы знаем, активно пользуется телескоп JWST для еще более глубокого взгляда в раннюю Вселенную.

9. Водяной пар каменной экзопланеты GJ 486b и ее возможная атмосфера

Спектроскопия экзопланеты GJ 486 b

Один из важных открытых вопросов в астрономии заключается в том, сможет ли каменистая экзопланета красного карлика сохранить атмосферу, находясь в суровых условиях. Чтобы на поверхности такой экзопланеты существовала вода в жидком виде, она должна вращаться достаточно близко к звезде.

Джеймс Уэббу удалось идентифицировать следы водяного пара у экзопланеты GJ 486 b. Если в дальнейшем подтвердится, что они относятся не к звезде, а именно к планете, то можно уверенно говорить о впервые обнаруженной атмосфере каменистой экзопланеты. GJ 486 b с температурой поверхности около 430°C расположена слишком близко к своей звезде и не находится в обитаемой зоне. Водяной пар ранее уже был замечен на газообразных экзопланетах, но до сих пор не было обнаружено атмосферы вокруг каменистой. Несмотря на полученные результаты, команда акцентирует внимание, что обнаруженный водяной пар может находиться на самой звезде, а именно, в области холодных звездных пятен.

10. Тепловая карта Мининептуна GJ 1214b

Тепловая карта экзопланеты GJ 1214 b

Позже JWST провел наблюдения экзопланеты класса Мининептунов, находящейся на расстоянии 40 световых лет. Ее радиус в 2,7 раз больше земного, а масса — приблизительно в 7 раз. Ученым удалось зафиксировать наличие облаков в атмосфере. Хотя температура поверхности слишком высока, чтобы на ней могли существовать океаны с жидкой водой, водяной пар может быть основной составляющей ее атмосферы.

Для этого исследования инженеры впервые прибегли к новому способу наблюдения. Как мы уже знаем, обычно ученые, используя JWST, наблюдают за экзопланетой во время ее транзита по диску "Солнца", то есть фиксируют свет звезды, проходящий через атмосферу планеты. В этот же раз JWST наблюдал практически весь путь планеты по орбите. Используя MIRI, инструмент среднего инфракрасного диапазона, ученые создали тепловую карту планеты по мере ее движения по орбите. Благодаря этому они смогли увидеть, как GJ 1214 b распределяет тепло от дневной стороны к ночной. Температура на планете снизилась с 279°C до 165°C. Такая большая разница возможна только в атмосфере, состоящей из тяжелых молекул, таких как вода или метан.

На видео выше тепловая карта, показывающая температуру в зависимости от положения экзопланеты.

11. Бензол в протопланетном диске

Спектр звезды J160532

Группа ученых, наблюдая за звездой J160532 на расстоянии 500 световых лет, обнаружила бензол и множество углеродосодержащих молекул, таких как ацетилен и диацетилен. Также специалистов удивило малое количество воды и углекислого газа. Эти наблюдения помогут астрономам лучше понять природу появления каменистых планет. Ученые считают, что обнаруженные молекулы выделяются в протопланетном диске после разрушения богатых углеродом пылевых зерен активной молодой звезды. Оставшиеся зерна содержат силикаты с относительно небольшим содержанием углерода. Позже зерна с малым количеством углерода соединяются между собой, и в конечном счете превращаются в каменистые планеты, такие как Земля.

12. Водяной пар в комете главного пояса астероидов

Спектр комет 238P/Read и 103P/Hartley 2

Очередное уже вполне рутинное обнаружение воды. Но на этот раз в нашей Солнечной Системе, а именно в комете главного пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Но! Отсутствие углекислого газа стало еще большим сюрпризом. Обычно CO2 составляет около 10% летучих веществ в комете, которые испаряются под воздействием солнечного тепла. Исследователи предполагают возможное объяснение отсутствия углекислого газа. По их мнению комета 38P/Read содержала CO2 в момент своего формирования, но потеряла его из-за высокой температуры. Альтернативное мнение — комета могла сформироваться в весьма теплом районе Солнечной системы, где просто не было углекислого газа.

На графике мы видим спектр кометы 38P/Read, наблюдаемой JWST и спектр кометы 103P/Hartley 2, исследованиями которой занимался в 2010 аппарат NASA’s Deep Impact. Объекты относятся к разным типам комет. В обоих случаях мы видим пик в области, связанной с водой. Однако 38P/Read не показывает характерного пика, указывающего на присутствие углекислого газа.

13. Огромный водяной шлейф Энцелада

Энцелад и его водяной шлейф

Многие СМИ не оставили без внимания обнаружение гигантского водяного шлейфа у спутника Сатурна Энцелада. И это абсолютно не преувеличение!

По оценкам ученых длина шлейфа составляет около 9600 километров. Предыдущие наблюдения фиксировали лишь несколько сотен. Помимо размеров ученых также удивила и скорость выброса, около 300 литров в секунду. С такой скоростью понадобится лишь несколько часов, чтобы заполнить олимпийский бассейн. На Земле эта процедура занимает порядка двух недель. Также команда выяснила, что лишь 30% вещества остается в системе Энцелада, остальные 70% улетучиваются и снабжают водой Сатурн и его систему колец.

Энцелад — интереснейший спутник Сатурна, ведь его подповерхностный океан соленой воды, пожалуй, одно из самых благоприятных мест для жизни в Солнечной системе. Разумеется, за пределами Земли.

14. Тепловая карта горячего газового гиганта WASP-18b

Спектр экзопланеты WASP-18b

За год работы телескоп показал, что умеет отлично составлять тепловые карты далеких тел. Подобно нашей системе Земля-Луна экзопланета WASP-18b находится в приливном захвате со своей звездой. Это означает, что одна сторона планеты всегда повернута к "Солнцу". Масса гиганта, который находится в 400 световых лет от нас, в 10 раз больше массы Юпитера, правда свой оборот вокруг звезды WASP-18b совершает всего за 23 часа.

По оценкам ученых температура атмосферы экзопланеты колеблется от 1500 °C до 2700 °C. Данные получены благодаря наблюдению планеты во время ее транзита по диску звезды, а также во время затмения экзопланеты. Сперва спектрограф NIRISS измерил совместный свет от звезды и планеты, а затем — только от звезды, когда экзопланета двигалась позади. В результате получилась кривая блеска — изменение яркости звезды при движении экзопланеты впереди или позади нее.
Ну и конечно обнаружили следы водяного пара:)

15. Самая удаленная органика во Вселенной

Галактика SPT0418-47

Продолжая ставить рекорды, Джеймс Уэбб обнаружил самые удаленные органические молекулы во Вселенной. Речь идет об элементах в галактике SPT0418-47, расположенной в более 12 млрд световых лет от Земли. Существовала галактика тогда, когда возраст Вселенной был равен всего 1,5 млрд лет. Полициклические ароматические углеводороды были обнаружены с помощью гравитационного линзирования. На фотографии мы видим SPT0418-47 в виде оранжевой дуги, а галактика, выступающая в качестве линзы, находится в центре изображения.

Благодаря тому, что оба объекта расположены почти в одной точке для наблюдателя, формируется кольцевидная форма. Свет от фоновой галактики растягивается и увеличивается галактикой переднего плана. Это явление называется кольцом Эйнштейна.

16. Вопрос прозрачности вселенной

Процесс опрозрачивания Вселенной

Очень интересное субъективно на мой взгляд открытие. Как известно, раньше Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Но со временем, а именно спустя 1млрд лет, она стала прозрачной. Новые данные JWST позволили установить причину этого.

Исследователи направили JWST в область квазара J0100+2802, чрезвычайно активной сверхмассивной черной дыры. Это место было выбрано естественно не случайно. Галактики рядом существовали незадолго до окончания эпохи Реионизации, когда Вселенная была одновременно и прозрачная, и нет. То есть, когда газ был в различных состояниях. Оказалось, что звезды излучали достаточное количество света, чтобы нагреть и ионизировать газ вокруг них, образуя прозрачные области, словно пузыри с радиусом около 2 млн световых лет. В течение следующих 100 млн лет "пузыри" становились больше и больше, и в конечном счете слились друг с другом, что привело к тому, что вся наблюдаемая Вселенная стала прозрачной.

17. Trappist-1c

Кривая света во время вторичного затмения звезды Trappist-1c

Продолжая исследовать экзопланеты системы Trappist-1c, JWST направил зеркала на следующую цель. Она также как и ближайшая экзопланета Trappist-1b НЕ находится в обитаемой зоне. Оно и понятно, ведь JWST даже не обнаружил и следов атмосферы на ней.

Международная группа исследователей провела расчеты, определяющие количество тепловой энергии, излучаемой второй планетой системы Trappist-1. Результаты показывают, что даже если атмосфера существует, она чрезвычайно тонкая.

Trappist-1c — каменистая экзопланета, вращающаяся вокруг звезды на расстоянии 0.016 а.е (2 400 000 км), совершая оборот всего за 2,42 земных дня. Средняя дневная температура составляет около 110°C.

Технически исследования Trappist-1c проходили так же, как и анализ ее ближайшего соседа. В очередной раз ученые отметили безупречную чувствительность телескопа. Снижение яркости, обнаруженное Уэббом во время вторичного затмения, составило всего 0,04 процента. Представьте себе, что вы на большом расстоянии смотрите на дисплей с 10 000 маленьких лампочек и обнаруживаете, что всего лишь четыре из них погасли.

Спектр экзопланеты Trappist-1c

На графике мы наблюдаем три линии, которые представляют результаты моделирования яркости Trappist-1c в зависимости от длины волны при определенных условиях. Исследования экзопланеты проводились в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 15 микрон. Красный ромб — это полученное JWST значение яркости. Синяя линия представляет моделирование яркости в случае очень тонкой атмосферы из углекислого газа без облаков. Зеленая линия отражает полное отсутствие атмосферы, а желтая линия — плотную атмосферу, подобную венерианской, состоящую из углекислого газа с облаками из серной кислоты.

Как видно на графике, на длине волны 15 микрон измерения соответствуют моделированию либо при очень тонкой атмосфере, либо при ее отсутствии.

18. Обнаружение важного катиона метила (CH3+)

Область вокруг звездной системы d203-506

Ну и последним релизом на сегодня стала идентификация весьма важной молекулы в протопланетном диске. Речь идет о впервые обнаруженном в космосе катионе метила (CH3+). Молекула важна тем, что способствует образованию более сложных органических соединений. CH3+ был обнаружен в находящейся на расстоянии 1350 световых лет молодой звездной системе с протопланетным диском d203-506. На фотографии справа снизу мы видим именно ее. Изображение получено путем комбинирования данных инструментов MIRI и NIRCam. Несмотря на то, что звезда в d203-506 является красным карликом, система все равно подвергается сильному ультрафиолетовому излучению, идущему от ближайших массивных звезд. Обычно УФ разрушает сложные органические соединения, поэтому с первого взгляда открытие может показаться весьма неожиданным. Однако по прогнозам ученых УФ излучение может как раз-таки способствовать образованию CH3+, являясь источником энергии для этого.

На этом пока все, до следующего поста и до следующих открытий!
Спасибо.

Ах да, обещанный бонус!

19. Обычное глубокое поле Уэбба. Но какое!

Скопление галактик RX J2129

При помощи гравитационного линзирования, Джеймс Уэбб способен наблюдать одну и ту же галактику, где находится сверхновая, в трех разных областях и с разным возрастом. Один и тот же объект. Одновременно(!) в трех(!!) местах с разным(!!!) возрастом.

Скопление RX J2129, находящееся на расстоянии около 3,2 млрд световых лет, выступает в качестве гравитационной линзы. Масса в скоплении RX J2129 распределена неравномерно, что приводит к тому, что лучи света, выходящие из сверхновой, изгибаются линзой по-разному, проходя различное расстояние, прежде чем достигнуть наблюдателя. Это дает возможность увидеть галактику в разные периоды ее жизни.

Наиболее длительный путь света дает самое старое изображение галактики (на фотографии посередине), на котором мы все еще можем заметить сверхновую. На изображении снизу мы видим объект спустя 320 дней. Вверху — примерно через 1000 дней. Однако, на последних двух изображениях сверхновой уже не наблюдается.

На этом точно все, увидимся!