În urmă cu un mai bine de un an vă anunțam cu entuziasm, așa cum îmi stă în obicei, că telescopul spațial James Webb a devenit operațional. Tot pe atunci îndrăzneam să prevăd că datele transmise de către el vor ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine felul în care a evoluat și funcționează, în prezent, Universul. Îndrăzneala mea nu era prea mare. Lucrurile erau evidente chiar și pentru profanul de mine: telescopul spațial James Webb este capabil să vadă Universul în domenii care nu sunt accesibile altor instrumente astronomice. El este capabil să vadă detalii de foarte mare finețe ale obiectelor cerești, inclusiv a celora care au apărut la scurt timp după Big Bang. În cele ce urmează vă cer permisiunea de a vă oferi un rezumat ale celor mai importante descoperiri realizate până acum cu ajutorul JWST.
Pentru a înțelege mai bine performanțele de care este capabil JWST, cred că este bine să ne aruncăm rapid o privire asupra lui. El este echipat cu o oglindă principală care are diametrul de 6,5 m (telescopul spațial Hubble are una cu diametrul de ”numai” 2,4 m). Pentru a putea fi transportată de către lansatoarele spațiale actuale ea este compusă din 18 segmente hexagonale, care erau pliate în momentul lansării. Abia în drumul către destinația finală ele se autoasamblau pentru a forma oglinda principală. Pentru a se asigura forma corectă a oglinzii, JWST folosește 132 de actuatoare, care reglează poziția fiecărui segment cu o precizie mai mică de 10 nanometri.
Pentru a colecta date despre Univers telescopul spațial James Webb dispune de mai multe instrumente dintre care le voi aminti pe cele mai importante.
NIRCam (Near Infrared Camera) este o cameră fotografică digitală care posedă 10 senzori de 4 megapixeli, cu ajutorul cărora se pot realiza observații în banda cuprinsă între marginea zonei vizibile a spectrului electromagnetic (0,6 microni) și infraroșul apropiat (5 microni).
NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) este un instrument cu ajutorul căruia se poate efectua analiză spectrală a obiectelor observate în aceeaşi bandă a spectrului electromagnetic ca și NIRCam.
MIRI (Mid-Infrared Instrument) este alcătuit dintr-o cameră foto și un spectroscop cu ajutorul cărora se pot realiza măsurători în zona infraroșului mediu și îndepărtat, mai bine zis în intervalul de lungimi de undă cuprins între 5 și 27 microni ale spectrului electromagnetic. Deoarece instrumentul realizează observații în domeniul mediu și îndepărtat al infraroșului senzorii săi trebuie să fie răciți până la temperaturi mai mici de 6 K.
FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) este un instrument complex cu ajutorul căruia se poate realiza stabilizarea orientării axei de vizare a telescopului spațial cât și pentru realizarea de imagini și analize spectrale în intervalul de lungimi de undă cuprins între 0,8 și 5 microni ale spectrului electromagnetic.
Acum, abia acum, pot trece la prezentarea principalelor descoperiri realizate cu ajutorul JWST în anul care a trecut de la intrarea sa în funcțiune.
Epoca reionizării
Imediat după Big Bang, Universul nostru era un loc opac, asemănător unui nor, în care fotonii nu se puteau deplasa pe distanțe mari. Asta din cauză că Universul era alcătuit pe atunci dintr-o plasmă extrem de fierbinte care ”înghițea” orice foton care se deplasa liber. Pe măsură ce a trecut timpul, această plasmă s-a răcit iar în momentul în care temperatura ei a ajuns la circa 3.000 K, plasma primordială dispare și se transformă într-un gaz format din atomi neutri de hidrogen, heliu și litiu. Universul devine acum transparent, fotonii putând să circule (relativ) liberi prin el. Îi putem observa deoarece ei alcătuiesc ceea ce se numește fondul cosmologic de radiații. Din cauza expansiunii Universului el se află în domeniul microundelor al spectrului electromagnetic și a fost studiat cu mare precizie de telescoapele spațiale Wilkinson Microwave Anisotropy Probe al NASA și Planck al ESA, și reprezintă cea mai veche imagine în domeniul undelor electromagnetice a Universului în care trăim.
Dar, este bine de precizat că acest Univers al nostru nu era complet transparent. Atomii neutri de hidrogen, heliu și litiu absorbeau fotonii care aveau anumite lungimi de undă. Pentru a deveni cu adevărat transparent mai era nevoie de un nou proces cosmic, cel care poartă numele de ”reionizare”. Despre felul în care s-a desfășurat acest proces există numeroase dezbateri în rândul astrofizicienilor. Dar iată că date transmise de către JWST au ajutat o echipă internațională de cercetători să clarifice mecanismul cosmic al reionizării. El este prezentat într-un articol acceptat spre publicare de către prestigioasa revistă The Astrophysical Journal.
Cercetătorii și-au îndreptat atenția asupra unei anumite linii de emisii a hidrogenului neutru, cunoscută sub numele de H-alfa. Pierluigi Rinaldi, doctorand la Institutul Astronomic Kapteyn din Olanda explica astfel pentru Universe Today, felul în care au fost folosite datele transmise de către JWST: ”Pentru a putea observa linia de emisie H-alfa care ar corespunde cu aproximație la 700 milioane de ani după Big Bang, avem nevoie de instrumente care să poată observa pe lungimi de undă de 5,6 microni (infraroșul mediu). Până acum, chiar dacă ținem seama de telescopul spațial Spitezer, aveam posibilități limitate pentru a realiza observații în această zonă a spectrului electromagnetic. De exemplu, telescopul spațial Hubble nu putea realiza observații pe această lungime de undă. Telescopul spațial Spitzer le putea realiza, dar nu avea rezoluția necesară pentru a obține rezultate decente. Iată, acum, JWST poate rezolva această problemă. Mai exact instrumentul MIRI ne oferă oportunitatea de a căuta emisiile H-alfa ale surselor de la începuturile Universului.”
Rinaldi, împreună cu colegii săi, a căutat mai întâi indicii ale liniilor de emisie H-alfa cu ajutorul instrumentului NIRCam. Apoi au fost folosite aceste date pentru a studia galaxiile selectate la lungimi de undă mai mari cu ajutorul instrumentului MIRI. Cercetătorii s-au mai fosit de datele vechi transmiste de instrumentul eXtreme Deep Field al telescopului spațial Hubble, care realizase deja imagini imagini ale Universului îndepărtat, cele mai bune obținute până la intrarea în funcțiune a JWST.
Rinaldi explica, tot pentru Universe Today: ”Pentru a avea confirmare că observam într-adevăr linia de emisie H-alfa, am utilizat tehnici fotometrice care ne-au permis să izolăm galaxiile care prezentau un «exces» fotometric în această zonă a spectrului. Presupunând că aceste galaxii se aflau la distanța corectă, am determinat fluxurile de emisie H-alfa. Prin efectuarea de observații spectroscopice suplimentare, am putut verifica deplasarea spre roșu a surselor noastre. Apoi am folosit datele transmise e către instrumentul eXtreme Deep Field (al telescopului spațial Hubble) și am constatat că estimările noastre inițiale cu privire la deplasarea spre roșu au fost precise.”
Analizând datele obținute s-a putut realiza o hartă a distribuției atomilor de hidrogen neutru în Universul timpuriu. Astfel s-a constatat că densitatea acestuia scădea dramatic în zona primelor galaxii născute după Big Bang.
Astfel s-a putut confirma principala ipoteză privitoare la mecanismul care a dus la reionizarea gazului din Universul timpuriu. Foarte pe scurt prezentată această reionizare s-a produs sub acțiunea radiațiilor ultraviolete de mare intensitate generate de către primele stele născute în Univers. Altfel spus, ele nu doar au alungat întunericul din Univers, ci și l-au făcut să devină complet transparent.
Rinaldi a mai declarat pentru Universe Today că lucrarea care va fi publicată în această vară în The Astrophysical Journal reprezintă doar un prim pas în direcția cercetării mecanismului din spatele procesului de reionizare. El crede că nu peste mult timp, pe măsură ce JWST va transmite mai multe date din perioada de început a Universului, împreună cu echipa sa, va veni cu noi date surprinzătoare.
Galaxii care nu ar trebui să existe!
Alți cercetători și-au îndreptat atenția către studierea primelor galaxii care au apărut în Univers, cele care au declanșat procesul de reionzare.
În luna februarie 2023, o echipă internațională de cercetători, condusă de Ivo Labbé, cercetător la Universitatea de Tehnologie Swinburne, Australia, publica un articol foarte interesant (aș îndrăzni să îl calific ca fiind unul ce va marca o etapă istorică în dezvoltarea cosmologiei), care se baza tocmai pe observațiile făcute cu ajutorul JWST. În articol erau prezentate șase galaxii, așa cum arătau ele la vreo 600 milioane de ani după Big Bang. Una dintre ele conținea deja 100 de miliarde de stele, număr apropiat de cele pe care le putem observa în zilele noastre în Calea Lactee.
Acum pot să mă justific pentru afirmația îndrăzneață de mai devreme. Datele transmise de către JWST nu pot fi explicate cu modelele actuale folosite de astrofizicieni pentru a explica felul în care a evoluat Universul. Vă reamintesc că istoria științei ne arată că revoluțiile în multe dintre domeniile sale au fost declanșate tocmai de incapacitatea modelelor standard din vremurile respective de a explica observațiile. În cazul nostru, modelul standard folosit de către cosmologi impune ca ”asamblarea” unui număr atât de mare de stele în galaxiile primordiale să aibă nevoie de un timp mult mai mare decât cel observat pe baza datelor transmise de către JWST. Mai clar, Charles Steinhardt, astrofizician danez, declara pentru revista New Scientist: ”Pe scurt, vedem galaxii cu mult timp înainte de a avea timp să se formeze. Dacă datele se confirmă, înseamnă că modelul standard al cosmologiei este greșit.”
Modelul standard al cosmologiei se bazează pe ecuațiile lui Einstein, cele în care este descrisă evoluția Universului în funcție de masa și energia prezente în el. Mai spre zilele noastre cosmologii au introdus aceste ecuații în modele computeriza și au introdus chestii suplimentare, și exotice (energia și materia întunecate), care să descrie cât mai bine structura Universului. Cum îmi stă în obicei nu voi intra în detalii. Modelul cosmologic standard din prezent se numește lambda-CDM, deoarece în cadrul lui energia întunecată apare unui parametru numit lambda, iar CDM este acronimul de la Cold Dark Matter. Până acum acest model părea a fi unul de succes dar el este pus în foarte mare dificultate de către datele, privitoare la evoluția galaxiilor în Universul timpuriu, transmise de către JWST. Vă reamintesc, galaxiile din acele timpuri de început erau alcătuite din prea multe stele!
Evident, problema nu a trecut neobservată și mai mulți astrofizicieni au căutat să găsească soluții. Printre aceștia este Michael Boylan-Kolchin, cercetător la Departamentul de Astronomie al Univesității Austin, Texas, SUA. El a publicat în luna aprilie 2023 un articol în care aborda această problemă, pe care o numea ”testul de rezistență” al modelului lambda-CDM. El a calculat, pe baza modelului standard, în ce condiții s-ar putea forma atât de multe stele în primele sute de milioane de ani de existență ai Universului. Concluzia la care a ajuns a fost că ”da, este posibil să se formeze atât de multe stele”, în Univers, local putând să existe suficientă materie pentru ca ele să ajungă la existență. Dar există o problemă, una foarte mare. Eficiența transformării în stele a gazului primordial ar fi trebuit să fie de 100%. Chestia asta nu a mai fost observată până acum și, din punct de vedere teoretic, este aproape imposibilă. Boylan-Kolchin preciza în comunicatul Universității Austin, că în prezent rata transformării în stele a gazului interstelar este de 10%… ”Dacă datele sunt corecte, intrăm în domeniul necunoscutului. Vom avea nevoie de ceva foarte nou în ceea ce privește formarea galaxiilor sau vom fi nevoiți să modificăm modelul standard al cosmologiei. Una dintre cele mai fascinante posibilități implică o viteză de expansiune mult mai rapidă la scurt timp după Big Bang decât cea prevăzută, ceea ce ar implica noi forțe și particule.”
Rămâne să vedem ce ne va aduce viitorul, dar, cel puțin în ceea ce privește formarea primelor galaxii, sunt convins de asta, JWST deschide calea unei adevărate revoluții în cosmologie.
Primele molecule organice
La începutul lunii iunie, în revista Nature, era publicat un articol în care se arăta că, pe baza datelor furnizate de către telescopul spațial James Webb, au fost descoperite molecule organice într-o galaxie situată la circa 12 miliarde de ani lumină distanță de noi adică în timpul în care Universul nostru exista de numai 1,5 miliarde de ani. Galaxia poartă numele de SPT0418-47 și a fost descoperită în 2020.
Moleculele organice descoperite fac parte din categoria hidrocaburilor aromatice policiclice, care, pe Pământ, se formează prin arderea incompletă a lemnului, a combustibililor fosili etc. Pentru a obține datele necesare, cercetătorii s-au folosit, pe lângă performanțele telescopului spațial James Webb, de efectul de lentilă gravitațională. Practic, între galaxia SPT0418-47 se află o concentrare de masă care curbează spațiu-timpul asemănător felului în care o lentilă curbează drumul parcurs de razele de lumină care trec prin ea. În cazul galaxiei îndepărtate observate cu ajutorul JWST, datorită efectului de lentilă gravitațională, rezultă ceea ce poartă numele de inel al lui Einstein.
Justin Spilker, cercetător la Universitatea A&M, din Texas, SUA, explica într-un comunicat de presă: ”Prin combinarea capacităților uimitoare a ale lui JWST cu efectul de mărire produs de lentila gravitațională am putut vedea lucruri nemaivăzute până acum. Mărirea produsă de către lentila gravitațională ne-a îndemnat să îndreptăm telescopul spațial către această zonă pentru a studia detaliile acestei galaxii în timpurile în care Universul era foarte tânăr.”
Cred că s-ar cuveni să deschid o mică paranteză. Deoarece atunci când am citit prima dată știrea referitoare la existența hidrocarburilor aromatice policiclice în Universul timpuriu mi-am întrerupt lectura pentru a afla legătura între ele și apariția vieții, mă gândesc să vă răspund încă de pe acum. Nu va fi unul lung. Hidrocarburile aromatice policiclice ar putea juca un rol complex în apariția vieții. Unele dintre ele sunt precursoare ale moleculelor organice necesare pentru apariția vieții. Ele au fost detectate și în meteoriți, ceea ce sugerează că ele ar fi putut avea în trecutul îndepărtat o contribuție importantă la apariți compușilor prebiotici care au dus la apariția vieții pe Terra.
Încă nu este foarte clar cum au putut să apară compuși organici complecși atât de devreme în Universul timpuriu. Ei conțin carbon, iar carbonul nu a fost creat în timpul Big Bang-ului. El este sintetizat în stele și este răspândit în mediul înconjurător o dată cu moartea lor explozivă. Și mai există o neclaritate importantă. Nu se știe de ce, dar aceste hidrocarburi aromatice policiclice se găsesc în zone în care nu se formează stele, în schimb sunt absente în zonele cu densitate stelară mare.
Justin Spilker: ”Detectarea moleculelor organice complexe într-o galaxie la începutul istoriei universului este ușoară atunci când folosești telescopul spațial James Webb. Noi am arătat că acest lucru este posibil și așteptăm cu nerăbdare să încercăm să înțelegem cum s-au format. Poate chiar vom putea găsi galaxii atât de tinere încât molecule complexe ca acestea nu au avut încă timp să se formeze în vidul spațiului. Singura modalitate de a înțelege evoluția moleculelor organice în Univers este să privești mai multe galaxii, mai îndepărtate decât cea pe care am studiat-o acum.”
Încheiere
Da, a trecut numai un an de când telescopul spațial James Webb și iată că el ne aduce informații extraordinare despre Univers. Alături de imaginile minunate – care ne bucură pe noi, profanii – el aduce date care ne vor ajuta să înțelegem mai bine Universul în care trăim. El este o fereastră deschisă către necunoscutul care ne înconjoară.
