James Webb teleskopas jau trejus metus teikia žinių apie Visatą, apie kokias anksčiau astronomai galėjo tik pasvajoti. Ankstesniame straipsnyje pristačiau svarbiausius atradimus tolimose galaktikose: žinias apie ankstyvas galaktikas ir juodąsias skyles, mažus raudonus taškelius ir kitokias įdomybes, kurios privertė peržiūrėti galaktikų formavimosi ir evoliucijos modelius. Dabar metas susipažinti su artimesniais atradimais žvaigždžių, egzoplanetų ir net Saulės sistemos fronte.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti.

Žvaigždžių lopšiai

Žvaigždės formuojasi tankiuose dujų debesyse. Aišku, tankumas čia santykinis – net ir centrinės debesų dalys trilijonus kartų retesnės už orą, kuriuo kvėpuojame. Bet turint omeny debesų dydžius, daugybę kartų viršijančius atstumą iki artimiausios žvaigždės, šviesai prasiskverbti į debesies vidų sunku. Lygiai taip pat šviesai sudėtinga išsiveržti ir suteikti žinių, kas dedasi debesies gelmėse. Dujos ir ypač dulkės geriau sugeria regimąją, nei infraraudonąją šviesą, taigi James Webb gali pažvelgti į šiuos regionus giliau. O juose gausu įdomybių: įvairiausios molekulės, egzotiškos ledo granulės, pradedančių augti protoplanetinių diskų ir planetų signalai… Štai Chameleono žvaigždyne esantis žvaigždes formuojantis debesis tapo vienu pirmųjų James Webb taikiniu, ir jame aptikta įvairiausių anksčiau nematytų molekulių ledo: cianato (OCN), karbonilo sulfito (OCS), taip pat retesnių anglies monoksido ir dioksido izotopų (atmainų, kuriose – šiuo atveju – anglies atomas turėjo vienu daugiau nei įprasta neutronų). Analizuojant kitų dviejų besiformuojančių žvaigždžių spektrą, jų aplinkoje aptikta ledo granulių, kuriose yra sudėtingų molekulių, tokių kaip actas ar etanolis. Kiekviena ledo molekulė garuoja esant skirtingai temperatūrai, taigi vietos, kur jas randame, suteikia žinių ir apie formavimosi sąlygas. Be to, sudėtingų molekulių egzistavimas tarpžvaigždiniame lede rodo, kad jos į planetines sistemas bent kartais patenka iš išorės, o šios žinios padeda patobulinti planetų formavimosi modelius.

Planetos, kaip žinia, auga protoplanetiniuose diskuose, kurie susideda ir dujų ir dulkių. Išorinėse jų dalyse gausu ledo, o žinios apie jo įvairovę padės geriau suprasti pačių diskų raidą, skirtingų planetų formavimosi aplinkybes ir prognozuoti galimą tų planetų tinkamumą gyvybei. Kalbant apie gyvybę, jai, bent jau panašiai į žemišką, būtinas vanduo; Webb’u pirmą kartą ši molekulė aptikta protoplanetinio disko regione, kuriame turėtų formuotis Žemės tipo planetos. Įvairios organinės molekulės, bent jau dujinėje terpėje, turėtų pradėti formuotis nuo metilo katijono – teigiamai jonizuotos molekulės, kuri susideda iš anglies ir trijų vandenilio atomų. Iki Webb’o tokios molekulės žvaigždėdaros regionuose aptikti nebuvo pavykę, todėl buvo svarstoma daug kitokių, menkai tikėtinų ir sunkiai pagrindžiamų, organinių molekulių formavimosi mechanizmų. O Webb’as prieš porą metų šią molekulę aptiko protoplanetiniame diske Oriono žvaigždėdaros regione ir taip šį klausimą praktiškai išsprendė.

Žvaigždėdaros regionuose formuojasi ne tik žvaigždės ir planetos, bet ir tarpiniai kūnai – rudosios nykštukės. Apie šiuos kūnus, kurių masės nepakanka termobranduolinėms reakcijoms, plačiau rašiau pernai. Riba tarp rudosios nykštukės ir žvaigždės gana aiški, tačiau nuo planetų jas atskirti sudėtingiau. Įprastai perskyra daroma pagal masę – rudosiomis nykštukėmis laikomi 13 Jupiterio masių (tai atitinka 1,3% Saulės masės) ir didesni kūnai. Visgi logiškesnis atskyrimas būtų pagal formavimosi pobūdį: planetos formuojasi diskuose aplink žvaigždes, rudosios nykštukės – nepriklausomai, kaip ir žvaigždės, iš debesies fragmentų. Iki Webb teleskopo paleidimo buvo žinomi keli laisvai skrajojantys objektai, mažesni už 13 Jupiterio masių ribą, tačiau su Webb’u jų atrasta nepalyginamai daugiau, įskaitant visą šūsnį dvinarių objektų, kurių masės palyginamos su Jupiterio ar net mažesnės.

Žvelgiant didesniu masteliu, žvaigždės daugiausiai formuojasi galaktikų diskuose. Paukščių Take išskiriami du diskai – storasis ir plonasis. Storojo žvaigždės senesnės, jos pradėjo formuotis kartu su Galaktika prieš 13 milijardų metų; plonojo – maždaug aštuonių milijardų metų amžiaus ir jaunesnės. O kaip yra kitose galaktikose? Nustatyti sudėtinga, nes skirtingo storio diskus atskirti reikia žiūrint iš šono, bet tada vaizdą užstoja dulkės. Taigi infraraudonoji spinduliuotė tampa tikru išsigelbėjimu, o James Webb erdvinės skyros pakanka įžiūrėti diskų savybes nei ir milijardų parsekų atstumu. Daugiau nei šimto galaktikų tyrimas parodė, kad plonųjų diskų buvo net ir prieš 10 milijardų metų, bet apskritai masyviose galaktikose jie pradėjo atsirasti prieš aštuonis, o mažose – prieš keturis milijardus metų. Tai reiškia, kad Paukščių Takas pagal savo diskus yra tipinė, o ne išskirtinė galaktika, ir suteikia daug geresnį kontekstą tolesniems galaktikų evoliucijos tyrimams.

Egzoplanetų atmosferos

Pirmosios egzoplanetos aptiktos 1992 metais, dabar jų žinome jau virš 6000. Iš kitos pusės, apie egzoplanetas žinome labai nedaug – dažniausiai tik orbitos periodą (metų trukmę), masę irba spindulį. Iš to galime apskaičiuoti, kiek planeta gauna energijos iš žvaigždės, tačiau norėdami pasakyti ką nors daugiau, turime atlikti detalesnius stebėjimus. Svarbiausias tolesnių planetos tyrimų žingsnis – atmosferos stebėjimai, kuriems atlikti reikia išmatuoti žvaigždės spektrą tranzito metu, kai planeta uždengia dalį žvaigždės šviesos. Atmosfera sugeria specifinių bangos ilgių šviesą, todėl ties tais bangos ilgiais žvaigždė pritemsta labiau. Pirmosios egzoplanetų atmosferos išmatuotos dar 2001-aisiais, tačiau iki James Webb pakilimo atmosferų matavimų buvo padaryta tik kelios dešimtys, ir visos – planetose-milžinėse.

Webb teleskopo duomenys žinias apie egzoplanetų atmosferas praplėtė dviem kryptimis. Pirmoji – daug aiškesnis atmosferą sudarančių molekulių charakterizavimas. Štai vienas pirmųjų Webb atradimų buvo anglies dvideginis egzoplanetoje WASP-39b. Tai pirmas kartais, kai ši labai dažna ir svarbi molekulė aptikta egzoplanetos spektre, nors anksčiau jau būta netvirtų užuominų keliose kitose. Po kelių mėnesių toje pačioje planetoje aptiktas ir sieros dvideginis, kurį sukuria žvaigždės spinduliuotės sukeltos reakcijos, panašiai kaip ozoną Žemėje. Tai buvo pirmasis fotocheminių reakcijų produktas, aptiktas egzoplanetoje. Jo gausa – vos keliasdešimt dalių milijone – būtų nematoma senesniems instrumentams, tačiau su Webb’u galima nagrinėti ir tokias menkas atmosferų sudedamąsias dalis. Toks puikus jautrumas retiems elementams ir junginiams leido aptikti kvarco kristalus planetos-milžinės debesyse, smėlio debesis Neptūno dydžio planetoje ir išmatuoti temperatūros variacijas tarp dieninės ir naktinės didelės planetos pusių.

Antroji kryptis – mažesnių planetų atmosferos. Čia ypač daug dėmesio sulaukė planeta K2-18b. Tai yra „sub-neptūnas“, už Neptūną mažesnė, bet daugiau nei aštuonis kartus už Žemę masyvesnė planeta. Jos vidutinis tankis leidžia spręsti, kad planetą galimai gaubia storas vandenynas, o jį – vandenilio ir vandens garų atmosfera. 2023 metais ten aptikta metano ir anglies dvideginio bei galimi dimetilsulfido (DMS) pėdsakai. Pastarieji patvirtinti šiemet. Signalo stiprumas rodo, kad molekulės toje planetoje yra apie 20 kartų daugiau, nei Žemėje. Tenykštėmis sąlygomis ji turėtų lengvai suirti, vadinasi yra nuolat papildoma. Žemėje DMS gamina tik gyvi organizmai, taigi natūralu, kad atradimą žiniasklaida pasitiko gausybe pranešimų apie tvirčiausią nežemiškos gyvybės įrodymą. Žinoma, kritikos atradimui irgi nestigo: jos sulaukė tiek atradimo metodika ir gauti rezultatai, tiek išvados apie ryšį su gyvybe, nes DMS galima pagaminti ir be gyvybės indėlio. Visgi nors šis atradimas greičiausiai gyvybės ir nerodo, panašių intriguojančių molekulių kitose planetose atrasime vis daugiau, tad tikrai gali būti, kad kurios nors iš jų paaiškinti be gyvybės indėlio nepavyks.

Kalbant apie gyvybės paieškas, daugiausiai vilčių, aišku, dedama į planetas, panašesnes į Žemę, kitaip tariant, uolines. Čia irgi sulaukėme įdomių rezultatų. Nukreiptas į TRAPPIST-1 sistemą, kurioje yra net septynios uolinės planetos, Webb’as sėkmingai išmatavo planetos TRAPPIST-1b šiluminę spinduliuotę ir nustatė, kad ji greičiausiai neturi atmosferos. Tai neturėtų labai stebinti, nes ši planeta iš savo žvaigždės gauna keturis kartus daugiau energijos, nei Žemė iš Saulės, tad dauguma dujų tiesiog išgaruoja į kosmosą. Kaimyninė planeta, TRAPPIST-1c, atmosferoje tikrai neturi daug anglies dvideginio ar sieros rūgšties debesų, tačiau kol kas neįmanoma pasakyti, ar ten nėra plonesnės atmosferos. TRAPPIST-1d irgi, panašu, neturi atmosferos, bent jau panašios į žemišką ar tankesnės. O štai TRAPPIST-1e, nors tikrai neturi tankios atmosferos, galimai išlaikė azotu turtingą ir gal net šiek tiek anglies dvideginio bei metano turinčią atmosferą.

Bet šie apytikriai TRAPPIST-1e rezultatai nublanksta prieš du kitus: Vėžio 55e ir TOI-561b. Vėžio 55 e apskritai yra garsi egzoplaneta, pirmoji superžemė (už Žemę didesnė, tačiau beveik neabejotinai uolinė planeta) prie pagrindinės sekos žvaigždės. Pernai gegužę paskelbta, kad Webb teleskopu joje aptiktas antrinės atmosferos signalas. Antrine vadinama atmosfera, kuria planeta apsigaubia praradusi pirminę, vandenilio ir helio, atmosferą, kurią galėjo sukaupti iš protoplanetinio disko. Kad tokios Vėžio 55 e neturi, žinojome jau seniau, tačiau Webb’as atrado, jog joje esama anglies dvideginio ir monoksido dujų. Tokia atmosfera gali kilti iš magmos okeano, kuris dengia dalį ar visą 2000 laipsnių karščio planetos paviršių. TOI-561 b rezultatas – visiškai šviežias, tik prieš kiek daugiau nei savaitę paskelbtas arXiv. Beveik 2500 kelvinų temperatūros planetą turėtų dengti vientisas magmos okeanas, o dabar, išmatavę dieninės jos pusės spinduliuotės spektrą, mokslininkai nustatė, kad ją gaubia stora antrinė atmosfera. Atmosfera susideda iš lakių junginių, tokių kaip anglies dvideginis ir monoksidas. Taigi, priešingai nei tikėtasi, net ir ypatingai karštos bei nelabai didelės planetos gali išlaikyti reikšmingas atmosferas.

Saulės sistema

Detalūs infraraudonieji stebėjimai atskleidžia naujienų ir kosminiame kieme – Saulės sistemoje. Vandens molekulės skleidžia, atspindi ir sugeria daug šio ruožo spindulių, todėl galima stebėti net ir menkus jų kiekius. Štai iš Saturno palydovo Encelado besiveržiantis geizeris, pasirodo, gali pakilti net 20 kartų aukščiau, nei paties palydovo spindulys. Nors apie čiurkšlės egzistavimą žinojome jau seniau, taip detaliai jos stebėti dar nepavyko niekam.

Kitas vandens atradimas buvo visai naujas, nors ir prognozuotas: jo esama kometose, kurios skrajoja Asteroidų žiede. Tokie objektai periodiškai pasidabina uodegomis, bet šios daugiausiai susideda iš dulkių. Dulkes greičiausiai pakelia garuojantis vandens ledas, bet ankstesnės vandens garų paieškos buvo bevaisės, o James Webb jo aptiko. Taip pat nustatė, kad bent vienoje kometoje, 238P/Read, vandens garų ir anglies dvideginio santykis labai aukštas, bent dešimt kartų viršija kitų, iš tolimesnių regionų atskriejančių, kometų vertę.

Dar vienas atradimas Asteroidų žiede – mažyčiai asteroidai. Jų egzistavimas nieko nestebina – jei yra didelių asteroidų, mažų turi būti dar daugiau – bet pats faktas, kad įmanoma aptikti vos dešimties metrų skersmens akmenukus, puikiai pademonstruoja, kad James Webb teleskopas yra visiškai naujos kartos instrumentas, lyginant su ankstesniais. Tokių naujų asteroidų aptikta daugiau nei šimtas.

Galiausiai, James Webb akis, nukreipta į sistemos pakraščius, parodė mums gražiausią ir detaliausią Neptūno ir jo žiedų vaizdą. Žiedus turi visos didžiosios planetos, ir nors prie Saturno jie įspūdingiausi, kitų pamiršti nederėtų. Deja, Neptūną, kaip ir Uraną, iš arti stebėjo tik Voyager 2 prieš beveik keturis dešimtmečius, o naujų žinių apie abi planetas labai norėtųsi. Kol neaišku, kada (ir apskritai, ar) NASA paleis dedikuotą zondą į kurią nors iš jų, tokie stebėjimai iš Žemės apylinkių yra geriausia, ką galime pasiekti.

Ateitis

James Webb kosminis teleskopas kol kas veikia puikiai. Kuro, reikalingo orbitos korekcijoms ir sukiojimuisi, turėtų užtekti dar keliems dešimtmečiams – daug ilgiau, nei planuota 5-10 metų misijos trukmė. Šiuo metu vyksta ketvirtojo stebėjimų ciklo darbai (kiekvienas ciklas trunka apie metus); aukščiau minėti TRAPPIST-1e ir TOI-561b atradimai yra šio naujausio etapo rezultatai. Tiek šio, tiek artimiausių keleto metų ciklų stebėjimų tikslai išliks panašūs. Pirmųjų galaktikų tyrimai atskleis medžiagos sankaupas ir besiformuojančias žvaigždes vis jaunesnėje Visatoje, galbūt perlips ir 200 milijonų metų ribą; galaktikų evoliucijos tyrimai praplės vaizdą apie skirtingų raidos kelių įvairovę. Žvaigždžių ir planetų formavimosi stebėjimai dar geriau parodys, kur ir kaip gimsta žvaigždės ir jų planetos, kokia yra tipinė šių procesų eiga. Jau susiformavusių planetinių sistemų stebėjimai leis aptikti pirmuosius egzomėnulius ir, galimai, biopėdsakus uolinių planetų atmosferose. Laukia daugybė nuostabių atradimų, aprėpiančių visą Visatos didybę ir istoriją.

Laiqualasse