Další kosmologické objevy Webbova vesmírného teleskopu

V první polovině roku 2023 se podařilo rozšířit počet zajímavých kosmologických pozorování Vesmírného dalekohledu Jamese Webba. Velmi rychle roste počet pozorovaných galaxií z doby do 600 milionů let od začátku rozpínání vesmíru. Lze tak studovat průběh reionizace. Stejně tak se rychle zvětšuje počet pozorovaných supernov Ia, které jsou klíčové pro pozorování průběhu rozpínání našeho vesmíru.

Na obrázku pořízeného kamerou NIRCam (zaměřena na blízkou infračervenou oblast spektra) je okolo 20 000 galaxií. Jde o oblast mezi souhvězdími Ryb a Andromedy. Pozorovaný kvasar J0199+2802 je ve středu snímku (zdroj NASA).

Už během prvního roku činnosti Webbova vesmírného teleskopu se podařila celá řada zajímavých objevů. Informoval o nich článek z počátku roku. Vesmírný dalekohled pracuje v infračervené oblasti spektra, která je díky kosmologickému rudému posuvu klíčová pro zvýraznění a možnost pozorování extrémně vzdálených objektů. Ty jsou díky konečné rychlosti světla i ty s největší vzdálenosti v čase od nás a nejblíže Velkému třesku. Realizovaná pozorování tak umožňují studovat raný vývoj vesmíru a evoluci objektů v něm, hvězd, galaxií i kup galaxií. A lze předpokládat, že v řadě případů povedou získaná data ke změně našich modelů evoluce různých vesmírných objektů. Jako příklad může sloužit pozorování velmi hmotných galaxií velmi brzy po začátku rozpínání našeho vesmíru, které je popsáno v únorovém článku na Oslovi.

Jak probíhal proces reionizace?

Po oddělení záření od hmoty v raných stádiích rozpínání vesmíru, která znamenala konec tepelné rovnováhy hmoty a záření, vzniklo zhruba 400 tisíc let po začátku jeho rozpínání reliktní záření. Fotony tohoto záření už neměly dostatečnou energii, aby ionizovaly atomy plynu, který vyplňoval prostor vesmíru. Elektrony byly zachyceny ionty, plyn se tak stal neutrálním a atomy neutrálního plynu velmi efektivně pohlcovaly fotony s vlnovou délkou v oblasti viditelného spektra. Takové fotony tak proletí před pohlcením jen velmi malou vzdálenost a vesmír tak byl neprůhledný. Objekty, které v té době existovaly, tak nebyly a nejsou pozorovatelné. Zhruba 200 milionů let po začátku rozpínání začaly vznikat nové hvězdy a galaxie. Ty jsou velmi intenzivními zdroji záření v oblasti viditelného a ultrafialového světla. Dochází tak postupně k ionizaci plynu nacházejícího se v mezihvězdném a mezigalaktickém prostoru. Plyn se stává ionizovaným, dostatečně horkým a pro světlo průhledným.

Průběh procesu reionizace. Po vzniku prvních hvězd a galaxií jejich světlo začíná ionizovat okolní plyn. Pro světlo průhledné oblasti ionizovaného plynu se postupně zvětšují, až se stane průhledným celý vesmír (zdroj NASA).

Ionizace plynu se tak postupně rozšiřuje z oblastí nových hvězd a galaxií, ve vesmíru tak vznikají a postupně se rozšiřují bubliny, ve kterých se vesmír stává průhledným. Popsaný proces pak probíhá až do doby, než se celý vesmír stane průhledným a období reionizace se dovrší. Úplné zprůhlednění vesmírného prostoru bylo dokončeno zhruba miliardu let po začátku jeho rozpínání.

Webbův vesmírný dalekohled je ideální nástroj pro pozorování procesu této reionizace. Pozorování quasarů, galaxií a supernov v období mezi 200 až 900 milióny let po Velkém třesku a jejich interakce s plynem v jejich okolí ukazuje průběh procesu ionizace. Detailní záběry galaxií a jejich okolí umožňuje poznat stav plynu, který je obklopuje. Na takové studium je zaměřena vědecká spolupráce EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization). Kromě fotografie galaxií je důležité získání spekter daných objektu a jejich okolí. Emisní čáry produkované právě plynem v okolí pozorovaných galaxií dávají informace o jeho stavu a míře jeho ionizace. V daném případě se využívaly čáry dvakrát ionizovaného kyslíku O III a různé vodíkové čáry. Zmíněné emisní čáry plynu byly vyvolány velmi intenzivním světlem kvasaru J0100+2802, na který se Webbův teleskop zaměřil. Jde o nejsvítivější kvasar mezi těmi s rudým posuvem větším než z > 6, který osvětlil plyn okolo galaxií, které byly mezi kvasarem a dalekohledem. Tyto galaxie, kterých bylo dohromady 117 (tým se zaměřil na 59 z nich), jsou velmi mladé s velmi aktivní produkcí hvězd s velkou hmotností a tím i velkým počtem supernov. Tým EIGER se zaměřuje na období ke konci éry reionizace, kdy prostředí sice nebylo úplně průhledné, ale už nebylo temná. Kombinuje pozorování kvasaru z Webbova teleskopu a velkých pozemních observatoří.

Velmi vzdálené galaxie vzniklé dříve než 900 milionů let po Velkém třesku pozorované skupinou EIGER s využitím Webbova vesmírného teleskopu. Detailní zkoumání jejich spekter umožňuje zkoumat i emisní čáry ionizovaného plynu a tím i jeho vlastnosti (zdroj NASA).

S využitím pozorovaných velmi vzdálených galaxií bylo možné určit rozměry bublin horkého ionizovaného plynu na velikost poloměru okolo dva miliony světelných let. To je zhruba vzdálenost od nás ke galaxii M31 v souhvězdí Andromedy. Během následujících stovek milionů se bubliny rozšiřovaly a postupně spojovaly, až vyplnily celý vesmír a udělaly jej průhledný. Ukazuje se, že svítivost těchto galaxií k ohřátí a ionizaci plynu postačuje.

Výsledky publikované ve dvou článcích (zde, zde a zde) jasně dokládají, že pomoci Webbova teleskopu lze průběhu reionizace studovat.

Pozorování prvních galaxií

Už ve zmíněném přehledovém článku se popisovalo, že právě Webbův teleskop je ideální nástroj na pozorování těch nejvzdálenějších a tím i nejranějších galaxií s extrémním rudým posuvem. V rámci programu JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) se daří dramaticky zvyšovat počet pozorovaných galaxií, které existovaly v době, kdy rozpínání vesmíru probíhalo méně než 900 milionů let. Právě v době mezi 500 až 850 milióny let probíhala nejintenzivnější fáze popisované reionizace, kdy intenzivní ultrafialové záření velmi hmotných hvězd ohřívalo a ionizovalo plyn v okolí vznikajících galaxií.

Fotografie pole pro zkoumání velmi vzdálených galaxií JADES. Je vidět více než 45 000 galaxií (zdroj NASA).

Před vypuštěním Webbova dalekohledu bylo známo jen okolo tuctu takových galaxií, nový dalekohled už jich nalezl tisíce a další rychle přibývají. Zatímco dříve bylo možné tyto galaxie vidět pouze jako extrémně malé skvrnky bez struktury, nyní už je možné vidět velké skupiny nově vzniklých velmi masivních hvězd. Lze tak pozorovat kolébky hvězd a formování galaxií i jejich vývoj právě v raných stádiích existence vesmíru. Zajímavou otázkou k řešení je, jak se tvorba hvězd rozjíždí a proč v některých případech dochází k zastavení intenzivní tvorby hvězd. V jiných případech mohou naopak nově vzniklé intenzivně svítící hvězdy vytvářet v okolním materiálu rázové vlny a rozjíždí se další intenzivní tvorba nových hvězd.

Pozorování kupy galaxií RX J2129, která svou obrovskou hmotností vytváří gravitační čočku kolosálního dalekohledu. Na pozadí blízkých galaxií kupy (bílá barva) pozorujeme obrazy velmi vzdálených galaxií s velkým rudým posuvem (oranžová barva). Některé několikrát. V detailu jsou ukázány tři obrazy vzdálené galaxie, ve které vybuchla supernova AT 2022riv (zdroj NASA).

Pro jejich přiblížení lze využít gravitační čočkování s využitím kup galaxií, které leží mezi námi a velmi vzdálenými galaxiemi.

Pozorování supernov Ia typu

V některých případech se daří pozorovat velmi vzdálené galaxie pomocí gravitační čočky tvořené kupou galaxií v podobě několika relativně vzdálených obrazů. Je to dáno tím, že „čočka“ tohoto velkého kosmického teleskopu nemá ideální tvar a zaostření. Proto jsou obrazy deformované a zmnožené. V únoru tak byl publikován přehled pozorování supernovy Ia typu, která vybuchla v polovině roku 2022. Její mateřskou galaxií vidíme právě pomocí gravitačního čočkování kupou RX J2129 v souhvězdí Vodnáře jako tři její poměrně vzdálené obrazy. Kupa se nachází ve vzdálenosti 3,2 miliardy světelných let od nás. Světlo z těchto různých obrazů prochází různými částmi kupy a jeho dráha se liší. Začátek výbuchu supernovy tak byl u třech různých obrazů odlišný.

V našem případě je ukázaný snímek zhruba 1000 dnů poté, kdy se supernova objevila u prvního obrazu. Je tak vidět právě jen u tohoto detailu. Na obrázcích detailu ostatních dvou zobrazení, u kterých světlo ze supernovy přiletělo o 1000 a 680 dnů dříve, už supernova vidět není. Výbuch supernovy tak astronomové mohli pozorovat hned třikrát v různém čase. I tento případ ukazuje obrovský potenciál Webbova teleskopu pro zvýšení počtu a kvality pozorování supernov Ia typu, které jsou klíčové pro určování vzdáleností ve vesmíru a průběhu jeho rozpínání.

Skupina sedmi pozorovaných galaxií, které pozorujeme v době, kdy od Velkého třesku uplynulo 650 milionů let. Galaxie jsou gravitačně vázány a tvoří zárodek budoucí kupy galaxií (zdroj NASA).

Formování kup galaxií

Webbův teleskop umožňuje studovat nejen tvorbu prvních hvězd a galaxií, ale zaměřuje se i na vznik a evoluci prvních kup galaxií. Pomocí gravitační čočky tvořené známou kupou galaxií Pandora (Abell 2744) pozoroval Webbův teleskop sedm galaxií s rudým posuvem z = 7,9, což odpovídá tomu, že je pozorujeme v době, kdy bylo stáří našeho vesmíru pouhých 650 milionů let. Kupa Abell 2744 je složená a využívá se i ke studiu původu temné hmoty a jejího chování v průběhu srážek kup galaxií (podrobněji viz ve starším článku na Oslovi).

V nedávném článku se ukazuje, že těchto sedm galaxií je gravitačně vázáno a jsou zárodkem vytvářející se kupy galaxií. Podařilo se změřit relativní rychlosti těchto galaxií, které je okolo tisíc kilometrů za sekundu. Celá hmotnost systému i s plynným haló byla odhadnuta na hodnotu přesahující 4×10¹¹ hmotností Slunce. Získaná data umožnila potvrdit, že jde o gravitačně vázaný systém. Zároveň lze modelovat jeho budoucí vývoj. Ukazuje se, že jde o zárodek kupy galaxii, který má potenciál vytvořit v budoucnu extrémně masivní kupu podobnou té, kterou známe ze souhvězdí Vlasy Bereniky. Rodící se kupa galaxií, která dostala označení A2744-z7p9OD, je tou nejvzdálenější doposud pozorovanou. Da se předpokládat, že se pomocí Webbova teleskopu podaří pozorovat celá řada takových zárodků budoucích velkých kup galaxií a podaří se pochopit proces jejich zrodu a evoluce.

Vzhledem k tomu, že je tvorba kup velmi silně ovlivněna temnou hmotou, může toto studium přispět k vyřešení záhady jejího původu.

Závěr

Popsaných několik případů pozorování pomocí Webbova vesmírného dalekohledu ukazuje jeho obrovský potenciál pro rozvoj našich kosmologických představ a poznání raného vývoje našeho vesmíru, vzniku prvních hvězd, galaxií a kup galaxií. Zatímco dříve jsme pozorovaly pouze desítky extrémně vzdálených galaxií z doby průběhu reionizace, nyní jsou jich už tisíce. Stejně tak roste počet pozorovaných supernov 1a typu. A lze očekávat, že v tomto případě přeroste poměrně rychle kvantita v novou kvalitu. Velké statistiky pozorování umožní hledat různé korelace a evoluci zkoumaných objektů. Zlepšení znalostí o vlastnostech supernov Ia typu by mohlo výrazně zpřesnit metodiku určování vzdáleností s jejich pomocí. To je klíčové pro studium průběhu rozpínání našeho vesmíru a pochopení temné energie. Můžeme se tak těšit na zásadní průlomy v našich kosmologických znalostech.

První rok práce Webbova teleskopu jsem popsal v přednášce na Štefánikově hvězdárně na Petříně

Autor: Vladimír Wagner

Datum: 26.06.2023

Tisk článku

Související články:

Webbův teleskop je k nezastavení: Galaxie z vesmíru starého 235 milionů let Autor: Stanislav Mihulka (05.08.2022)
První rok práce Vesmírného dalekohledu Jamese Webba Autor: Vladimír Wagner (22.01.2023)
Pozorování velmi masivních galaxií krátce po Velkém třesku mění pohled na jejich evoluci Autor: Vladimír Wagner (26.02.2023)
Šmírování vzdálené mladičké dozrávající exoplanety Autor: Dagmar Gregorová (07.04.2023)
Lehká membránová zrcadla pro velké vesmírné teleskopy Autor: Dagmar Gregorová (28.04.2023)

Diskuze:

online data standartních svíček

David Pešek,2023-06-28 11:03:50

dobrý den, mám dotaz, mám ho často, snad mi to někdo laicky vysvětlí, díky. Máme standartní svíčky, supernovy Ia (pro osla výborná shoda názvu :-)), u kterých dokážeme určit vzdálenost podle magnitudy a měřit rychlost vzdalování podle rudého posuvu. Ale, jak lze určit že se svíčky vzdálenější nyní vzdalují rychleji, když pozorujeme minulost, a vychází že se v minulosti vzdalovaly rychleji. Jak lze z pozorování stanovit že se rychlost vzdalování zvyšuje, událost supernovy netrvá tak dlouho aby byla změna rychlosti vzdalování měřitelná na konkrétní svíčce. Je snad nějaký model s kterým se data srovnají kdyby se vesmír rozpínal konstantní rychlostí nebo kdyby zpomaloval rozpínání? může nepřesnost v srovnávání magnitud ovlivnit výsledné zrychlování/zpomalování rozpínání? díky za upřesnění