Od nejstarší spirální galaxie až po možné stopy života: Webbův teleskop svými objevy dál překvapuje vědecký svět
V roce 2021 dostali astronomové nového pomocníka – Vesmírný dalekohled Jamese Webba, pojmenovaný po někdejším administrátorovi NASA. Díky průměru šest a půl metru a pozorování v oboru infračerveného záření nám teď teleskop nabízí zcela revoluční pohled na vesmír.
Webbův teleskop otevírá okno do prvních stovek milionů let existence kosmu a přináší objevy, které v mnoha případech zpochybňují naše dosavadní chápání evoluce vesmíru. (ilustrace: Flickr, JWST, CC BY 2.0)
Kde se vzal kyslík?
Data z kamery NIRCam na palubě dalekohledu JWST neboli James Webb Space Telescope posloužila k výběru galaxií, které se budou dál zkoumat pomocí spektroskopických pozorování. U jedné z nich, s označením JADES-GS-z14-0, se podařilo určit rudý posuv v hodnotě 14,3, což ji řadí mezi nejvzdálenější rekordmanky.
O hvězdném ostrově, který existoval již necelých 300 milionů let po zrodu vesmíru, odhalili astronomové z University of Arizona ohromující podrobnosti. Pomocí JWST zjistili, že je mnohem jasnější a chemicky složitější, než se očekávalo, čímž se zpochybňují naše dosavadní představy o utváření galaxií v raném kosmu. Objev významného množství kyslíku také naznačuje, že se tam již nejméně o 100 milionů let dřív formovaly hvězdy, což zásadně posouvá časovou osu vesmírného vývoje.
Aby se totiž v galaxii vytvořil kyslík, muselo se v ní napřed stihnout zrodit několik generací stálic. Ty se následně vyvinuly a explodovaly jako supernovy, čímž se kyslík uvolnil do mezihvězdného prostoru a stal se součástí nových hvězd. „Vytvoření takového množství kyslíku, jaké se nachází ve zmíněné galaxii, znamená velmi složitý cyklus. Takže je to skutečně ohromující,“ přibližuje George Rieke z University of Arizona. Přítomnost prvku navíc potvrdila také pozorování radioteleskopu ALMA.
Příliš brzká smrt
Astronomové objevili pomocí Webbova teleskopu vůbec nejvzdálenější klidnou galaxii, jakou se kdy povedlo zaznamenat: Nové hvězdy přestala tvořit už 700 milionů let po Velkém třesku, a z astronomického pohledu tedy „zemřela“. Nález vědce šokoval, protože současné modely nedokážou vysvětlit vznik podobně masivních, a zároveň již vyhaslých galaxií v tak raném kosmu. Nově nalezený hvězdný ostrov nese označení RUBIES-UDS-QG-z7 a jeho parametry vyrážejí dech: Ukrývá v sobě více než 10 miliard hmotností Slunce, a přesto jeho průměr činí pouhých 650 světelných let.
V mladém vesmíru rostly galaxie tím, že doslova „nasávaly“ plyn z okolí a přetvářely ho v nové hvězdy. Čím potom byly hmotnější, tím účinněji dokázaly přitahovat další plyn, a tudíž i zrychlovat hvězdotvorbu. Zmíněný proces však netrvá věčně: V určité fázi se růst zastaví a galaxie projde tzv. vyhasínáním – stálice se již nerodí a hvězdný ostrov se postupně stává klidným.
Dnes pozorujeme, že přibližně polovina galaxií v blízkém kosmu již nové hvězdy netvoří. Často se proto označují jako klidné nebo také „červené a mrtvé“. Jejich červené zabarvení přitom způsobuje fakt, že v nich chybějí mladé a horké modré stálice, a zůstávají jen ty starší, chladnější a načervenalé.
Může tam být život?
Kolem červeného trpaslíka K2-18, vzdáleného od nás asi 111 světelných let, krouží dvě masivní planety K2-18 b a K2-18 c. První z nich má 2,6krát větší poloměr než Země, je přibližně 8,6krát hmotnější a mateřskou hvězdu obíhá s periodou 33 dní ve vzdálenosti 0,15 AU. Pomocí Webbova teleskopu přitom astronomové v její atmosféře objevili chemické otisky dimethylsulfidu anebo dimethyldisulfidu alias DMS a DMDS. Na Zemi je produkují pouze živé organismy, jako třeba mořský fytoplankton. Výsledky tak skýtají zatím nejsilnější důkaz, že na vzdálené planetě může existovat život.
Dřívější pozorování identifikovala v plynném obalu K2-18 b i metan a oxid uhličitý, a šlo tudíž o první detekci molekul na bázi uhlíku v atmosféře exoplanety v obyvatelné zóně. Výsledky odpovídaly předpovědím pro tzv. hyceánský svět neboli obyvatelnou oběžnici s povrchovým oceánem a s atmosférou bohatou na vodík.
Jiný, slabší signál však naznačil, že se na K2-18 b může odehrávat něco zajímavého. „Nevěděli jsme s jistotou, zda signál, který jsme získali minule, způsobil dimethylsulfid. Nicméně pouhý náznak byl dostatečně vzrušující, abychom se na něj znovu podívali Webbovým teleskopem pomocí jeho dalšího přístroje,“ líčí Nikku Madhusudhan z University of Cambridge.
Při novém nezávislém pozorování se uplatnilo zařízení MIRI alias Mid-Infrared Instrument pro střední infračervenou oblast 6–12 µm. Na Zemi se koncentrace DMS a DMDS obecně pohybují pod jednou objemovou jednotkou na miliardu, v atmosféře K2-18 b jsou však tisíckrát silnější, což by mohlo svědčit o doslova kypícím životě. Přesto Madhusudhan jedním dechem mírní předčasný optimismus: „Výsledky jsou sice nadějné, ale než budeme tvrdit, že jsme našli mimozemský život, musíme získat další údaje.“
Nejstarší spirála
Astronomové se domnívají, že se velké spirální galaxie jako Mléčná dráha formovaly několik miliard let. A že během první miliardy roků vesmírné historie byly hvězdné ostrovy pravděpodobně malé, chaotické a s nepravidelným tvarem. Webb však odhalil zcela jiný obraz: Detailní snímky ukázaly překvapivě hmotné a dobře strukturované galaxie v mnohem ranějším období, než se dosud soudilo. Astronomy to tudíž vede k přehodnocení stávajících představ o utváření galaktických ostrovů v mladém vesmíru.
Mezi tyto nové objevy patří i Zhulong, nejvzdálenější známá spirální galaxie. Navzdory časnému období kosmického vývoje vykazuje překvapivě vyspělou strukturu, včetně staré centrální výdutě, velkého hvězdotvorného disku a spirálních ramen – tedy rysů typických pro blízké ostrovy. „Zhulong vyniká tím, jak moc se svým tvarem, velikostí i hmotností podobá Mléčné dráze,“ popisuje astronomka Meng-jüan Siao z Université de Genève.
Zmíněná galaxie obsahuje přes 100 miliard hvězd o hmotnosti Slunce a měří víc než 60 tisíc světelných let, což lze s naším galaktickým domovem srovnat. Jde tedy o jeden z nejlepších analogů Mléčné dráhy, jaký se kdy podařilo odhalit v tak dávném období. A vyvolává nové otázky: Jak mohly mohutné, dobře uspořádané „spirály“ vzniknout podobně brzy po Velkém třesku?
Dřív se předpokládalo, že vývoj spirálních struktur trvá miliardy let. Masivní galaxie pak měly ve vesmíru existovat až mnohem později, protože se obvykle objevují poté, co menší ostrovy časem splynou s většími při tzv. galaktickém kanibalismu. „Daný objev ukazuje, jak zásadně Webbův teleskop mění náš pohled na raný vesmír,“ uzavírá Pascal Oesch z Université de Genève.
Mezi nové objevy Webbova teleskopu patří i Zhulong, dosud nejvzdálenější známá spirální galaxie. (zdroj: NASA/ESA, PANORAMIC Team, CC BY 4.0)
Zakázané záření galaxie
K vědeckým cílům JWST patří také nahlédnout do mladého vesmíru, kdy se po Velkém třesku formovaly první galaxie. Protože je teleskop vysoce citlivý na infračervené světlo, umožňuje zkoumat, kdy a jak tyto rané galaxie vznikaly – a také jaký měly vliv v období kosmického úsvitu, kdy začalo kosmos proměňovat první světlo stálic a hvězdných ostrovů.
Galaxii JADES-GS-z13-1 se podařilo pozorovat pouhých 330 milionů let po Velkém třesku. Vydává přitom silný signál záření Lyman-alfa, což se dosud považovalo za nemožné kvůli okolní kosmické „mlze“. Zpochybňuje se tak dosavadní teorie o tom, kdy došlo k tzv. reionizaci vesmíru prvními hvězdami a galaxiemi: Mohla nastat dřív, nebo nerovnoměrně.
Proces reionizace se završil asi miliardu let po Velkém třesku a většina zmíněné mlhy během něj zmizela. Přesto nová galaxie vykazuje překvapivě jasnou emisi čáry Lyman-alfa, jež by měla být viditelná až poté, co se okolní mlha zcela rozptýlí. Podobný výsledek je zcela nečekaný a Kevin Hainline z University of Arizona k němu dodává: „Vzhledem k tomu, jak chápeme vývoj kosmu, bychom takovou galaxii opravdu neměli najít. Představujeme si raný vesmír zahalený hustou mlhou, přes kterou by bylo ohromně obtížné detekovat i silné majáky. A přesto zde vidíme paprsek světla ze zmíněné galaxie.“
Polární záře na Neptunu
Webbův teleskop přináší zásadní pohled do počátků vesmíru, sleduje však i tělesa Sluneční soustavy. Přiložený kombinovaný snímek, vytvořený na základě dat z Hubbleova dalekohledu a z JWST, tak ukazuje polární aktivitu na Neptunu. „V minulosti jsme tam její náznaky zaznamenali,“ přibližuje Henrik Melin z Northumbria University. „Zobrazení a potvrzení polárních září na Neptunu nám však dlouho unikalo, přestože se je podařilo zaznamenat na Jupiteru, Saturnu i Uranu. Neptun tak zůstával chybějícím kouskem skládačky při jejich detekci na obřích planetách Sluneční soustavy.“
Astronomové analyzovali data z Webbova spektrografu NIRSpec pro blízkou infračervenou oblast. A kromě snímku planety získali také spektrum, jež charakterizuje složení a měří teplotu horních vrstev atmosféry. Na fotografiích Neptunu z JWST se jasné polární záře jeví jako skvrny znázorněné azurovou barvou.
Aktivita auror pozorovaných na vzdáleném světě se však výrazně liší od té, kterou jsme zvyklí sledovat na Zemi, nebo dokonce na Jupiteru či Saturnu: Místo aby se polární záře na Neptunu omezovaly na okolí pólů, nacházejí se i ve středních šířkách – což je dáno zvláštní povahou tamního magnetického pole, které se vůči ose rotace planety sklání o 47°.
