Космический телескоп «Джеймс Уэбб» работает всего 18 месяцев из предполагаемых 10 лет, но учёные уже ставят вопрос об эффективном использовании оставшегося времени работы телескопа

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обладает большой мощностью и возможностями для научных открытий. Одна из его основных целей — исследование атмосфер экзопланет с целью определения их химического состава — задача, которую может выполнить только такой мощный инструмент. Однако даже JWST требуется время, чтобы эффективно использовать возможности, особенно когда речь идет об одной из ключевых задач — изучении каменистых экзопланет, вращающихся вокруг красных карликов. Красные карлики являются самым распространённым типом звёзд во Млечном Пути. Наблюдения показывают, что в обитаемых зонах этих звёзд находится множество каменистых планет. Но вопросы о том, насколько подходят для жизни эти планеты и о возможности наличия атмосферы в зонах обитаемости красных карликов до сих пор остаются без ответа. Астрономы стремятся изучить атмосферы таких планет и искать биосигнатуры и другую информацию о составе их атмосферы.

Иллюстрация экзопланеты K2-18 b на основе научных данных. Космический телескоп JWST исследовал эту экзопланету и обнаружил присутствие углеродсодержащих молекул. Обилие метана и углекислого газа, а также небольшое содержание аммиака подтверждают гипотезу о том, что под богатой водородом атмосферой K2-18 b может существовать водный океан. Но чтобы с большей уверенностью делать выводы о его атмосфере, необходимы более обширные наблюдения. Источник: NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted (STScI)

По результатам нового исследования, JWST потребуется сотни часов наблюдений, чтобы обнаружить и помочь изучить атмосферы экзопланет. Единственным автором этого исследования является Рене Дойон из физического факультета Монреальского университета в Канаде. Дойон отмечает, что хотя изучение атмосфер экзопланет является одной из главных задач JWST, до сих пор проделана работа только с несколькими планетами: Trappist-1d, e, f, g, LHS1140b и мини-нептуном K2-18b.

Результаты исследования показывают, что JWST действительно способен изучать атмосферы экзопланет, но также указывают на то, что активность звёзд является препятствием для успешных результатов и качественных, убедительных данных. Телескоп анализирует атмосферы экзопланет, наблюдая, как планета проходит мимо своей звезды. Он анализирует свет звезды, проходящий через атмосферу экзопланеты, в поисках признаков различных молекул.

Один из важнейших вопросов в изучении экзопланет связан с каменистыми планетами, находящимися в обитаемых зонах красных карликов. Обладают ли они атмосферой? К счастью, маломассивные красные карлики и их планеты являются лучшими объектами для спектрометрического исследования.

Однако каждая возможность сопровождается своими трудностями, и когда речь идёт о маломассивных красных карликах, препятствия становятся особенно значимыми. Эти звёзды известны своими сильными вспышками, которые могут сделать близлежащие планеты неподходящими для жизни. Вспышки источают мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может разрушить атмосферу планеты. В течение миллиардов лет такие вспышки могут настолько истончить атмосферу, что шансов на обитаемость практически не останется.

Вспышки красных карликов создают ещё одну проблему: эта звёздная активность может затруднить спектроскопическое изучение атмосфер экзопланет.

JWST — лучший инструмент для изучения атмосфер экзопланет. Однако его срок службы ограничен. Он предназначен для работы до 10 лет, и уже сейчас он выполняет свою миссию примерно 18 месяцев. Когда речь идёт об изучении экзопланет, что является лишь одной из его задач, как лучше всего использовать время?

Художественное изображение мощной вспышки, исходящей от красного карлика — Проксимы Центавра. Такие вспышки могут уничтожить атмосферы близлежащих планет. Они также затрудняют спектроскопию атмосфер экзопланет. Источник: NRAO / S. Dagnello.

Очень важно использовать время JWST не только для изучения атмосферы, но и для подготовки к будущим флагманским миссиям и разведки будущих целей для наземных обсерваторий.

Дойон говорит, что следует отдать приоритет тому, что он называет Golden-J — самых перспективных экзопланет. Эта группа планет достаточно прохладна, чтобы избежать парникового эффекта. И также необходимо иметь точные измерения радиуса и массы, что приводит к точному пониманию их плотности.

«Эти критерии ограничивают выбор лишь несколькими каменистыми планетами: Trappist-1d, e, f, g и LHS1140b. И в качестве исключения мини-нептун K2-18b, несмотря на неопределённость его массы», — пишет Дойон.

JWST, как и «Хаббл», уже исследовал эти экзопланеты. Но результаты содержат неопределённость. Дойон описывает первые взгляды JWST на экзопланеты образца Golden-J как разведывательные и считает, что для устранения большей части этой неопределённости следует более тщательно изучить эти планеты в оставшееся время.

Экзопланете LHS-1140 b уделено большое внимание в работах Дойона. «LHS1140b, пожалуй, лучшая планета с умеренным климатом, о состоянии жидкой поверхности которой можно косвенно судить, опираясь на обнаружение CO2 в её атмосфере», — пишет автор. Но JWST может наблюдать только 4 транзита планеты и 4 её затмения за один год. JWST может потребоваться 12 «взглядов» в течение трёх лет, чтобы собрать достаточно убедительные доказательства присутствия жидкой воды на поверхности.

Дойон называет эту попытку более пристального наблюдения за LHS-1140 b и другими экзопланетами в подборке Golden-J «глубокой разведкой обитаемости».

Возможно, самый важный вопрос, на который JWST должен и может ответить — это заголовок моей статьи: есть ли у каменистых планет умеренного пояса вокруг М-карликов атмосфера?, — пишет Дойон.

Для этого потребуется время. Дойон подсчитал, сколько времени потребуется для наблюдений JWST: «Комплексная разведка потребует минимум 700 часов, включая примерно 225 часов, посвящённых фотометрии затмений». Однако этих часов может оказаться недостаточно: «Введение более высокого порога обнаружения для программы разведки – как было опубликовано для наблюдений Trappist-1b и Trappist-c с помощью инструмента MIRI – значительно увеличит общее время наблюдений, потенциально варьирующееся от 1300 до 2000 часов».

Это может занять ещё больше времени, особенно если появятся многообещающие результаты, требующие дополнительных наблюдений. Может показаться, что это занимает много времени для небольшого количества экзопланет. Однако JWST был создан для поиска ответов, и если это требует столько времени, значит оно будет использовано с пользой.

Вселенная показала вопросительный знак — «Джеймс Уэбб» запечатлел пару сливающихся галактик необычной формы

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) озадачил общественность, прислав две недели назад снимок объекта Хербига — Аро 46/47. Это были туманности в области формирования двух молодых звёзд. Снимок, как обычно, невероятно прекрасен, но внимание на нём привлёк не объект наблюдения, а нечто иное, также попавшее в объектив телескопа — другой объект, напоминающий по форме вопросительный знак. Учёные склонны считать, что этим объектом может оказаться пара галактик, находящихся в процессе слияния, и на вопросительный знак они похожи только с точки зрения «Джеймса Уэбба». Работники Научного института космического телескопа склонны считать, что одна из галактик могла изменить форму в процессе взаимодействия с другой. Возможно, этот объект попал на снимок впервые, и понадобится произвести дополнительное наблюдение, чтобы с какой-то уверенностью делать утверждения о его природе.

Доцент Иллинойсского университета Мэтт Каплан (Matt Caplan) склонен винить в таком эффекте силы приливного разрушения — по его мнению, они могли исказить форму галактики в верхней части «вопросительного знака». Эту версию косвенно подтверждает цвет некоторых других галактик в этой области, а подобная раздвоенная форма типична для слияний.

Снимок опубликован 26 июля. Главным объектом на нём является пара молодых звёзд в облаке пыли и газа — вещество выбрасывается и поглощается ими в процессе формирования. Сам газопылевой диск невидим, но его тень можно разглядеть в двух конусообразных областях рядом со звёздами. Формироваться эти звёзды будут ещё несколько миллионов лет.

«Джеймс Уэбб» показывает области формирования новых звезд

11 октября 2022 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» впервые провел более 20 часов, наблюдая за давно изученным сверхглубоким полем «Хаббла». Программа GO 1963 была сосредоточена на анализе поля в диапазоне длин волн приблизительно от 2 до 4 микрон. Кристина Уильямс (NOIRLab), Сандро Такчелла (Кембриджский университет) и Майкл Маседа (Университет Висконсин-Мэдисон) рассказали о первом наблюдении сверхглубокого поля «Хаббла» глазами «Уэбба». Что важно знать людям об этих наблюдениях «Уэбба»? Майкл Маседа: тот факт, что мы видим горячий ионизированный газ, говорит нам о том, где в этих галактиках рождаются звезды. Теперь мы можем отделить эти области от тех, где уже существовали звезды. Эта информация очень важна, потому что миллиарды лет спустя мы точно не знаем, как галактики стали такими, какие они есть сегодня. Важно отметить, что мы все еще не увидели всего, что можно увидеть. Вся наша программа длилась ~ 24 часа, что не так уж много по сравнению с тем, сколько времени другие обсерватории наблюдали за ней. Но даже за этот относительно короткий промежуток времени мы начинаем составлять новую картину того, как растут галактики в этот действительно интересный момент истории Вселенной.

Что вам интересно узнать, исследуя сверхглубокое поле «Хаббла» вместе с «Уэббом»?

Кристина Уильямс: Мы предложили получать изображения сверхглубокого поля с помощью некоторых среднечастотных фильтров изображения NIRCam «Уэбба», что позволило нам получать изображения спектральных особенностей более точно, чем при использовании широкополосных фильтров, поскольку среднечастотные фильтры охватывают более короткий диапазон длин волн. Это дает нам большую чувствительность при измерении цветов, что помогает нам понять историю звездообразования и ионизационные свойства галактик в течение первого миллиарда лет существования Вселенной, например, в эпоху реионизации. Измерение энергии, которую галактики произвели за это время, поможет нам понять, как галактики реионизировали Вселенную, превратив ее из нейтрального газа в ионизированную плазму, какой она была после Большого взрыва.

Сандро Такчелла: Один из ключевых нерешенных вопросов внегалактической астрофизики заключается в том, как формируются первые галактики. Поскольку средние полосы охватывают диапазон различных длин волн, мы можем либо непосредственно найти некоторые из первых галактик в ранней Вселенной, либо определить возраст звезд в галактиках, когда Вселенной было около миллиарда лет, чтобы понять, когда галактика на самом деле сформировала свои звезды в прошлом. Это исследование помогает точно определить период формирования первых галактик.

Майкл Маседа: Возможности, которыми мы располагаем с помощью среднечастотных фильтров «Уэбба» совершенно новые. Мы получаем своего рода гибрид между визуализацией и спектроскопией, поэтому мы получаем подробную информацию практически по всем галактикам в поле зрения, в отличие от традиционной спектроскопии, где вы могли бы выбрать только несколько галактик в поле зрения для изучения. Это действительно полная картина в том смысле, что эта информация дополняет множество существующих данных, не только от «Хаббла», но и наземных приборов, таких как MUSE на VLA, где мы проводим спектроскопию на разных длинах волн для ряда этих объектов. Эти новые данные – недостающая часть, которой у нас раньше не было с точки зрения понимания полной популяции галактик в этой области.

Почему вы решили немедленно обнародовать эти данные?

Сандро Такчелла: Галактики – это очень сложные системы, в которых широкий спектр различных процессов протекает в различных пространственных и временных масштабах, поэтому существует множество подходов, которые можно использовать для лучшего понимания физики галактик. Таким образом, предоставление доступа ко многим различным группам облегчит поиск более подробной информации.

Кристина Уильямс: «Уэбб» все еще новичок, и люди до сих пор ищут лучшие практики анализа наборов данных. Таким образом, каждому выгодно иметь несколько наборов данных, которые доступны немедленно, чтобы понять, как наилучшим образом использовать данные «Уэбба» в будущем, и лучше планировать программы в будущих циклах.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» изучил скалистую экзопланету

Газовые гиганты, вращающиеся вокруг Солнца, демонстрируют четкую закономерность: чем массивнее планета, тем ниже процент "тяжелых" элементов (любых, кроме водорода и гелия) в атмосфере планеты. Но международная группа астрономов обнаружила, что состав атмосферы планет-гигантов в галактике не соответствует тенденциям Солнечной системы. Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» НАСА (JWST), исследователи обнаружили, что атмосфера экзопланеты HD149026b, горячего Юпитера, вращающегося вокруг звезды, похожей на Солнце, сверхбогата углеродом и кислородом. Кроме того, диагностическое отношение углерода к кислороду у HD149026b, также известной как Смертриос, повышено по сравнению с Солнечной системой. Результаты были опубликованы в журнале Nature 27. «Похоже, что каждая планета-гигант отличается от других, и мы начинаем видеть эти различия благодаря JWST», – сказал Джонатан Лунин, профессор физических наук имени Дэвида К. Дункана в Колледже искусств и наук и соавтор исследования. – «В этой статье мы определили, сколько существует молекул относительно основного компонента газа, которым является водород, наиболее распространенный элемент во Вселенной. Это довольно много говорит нам о том, как образовалась эта планета». Исследователи отмечают, что планеты-гиганты нашей Солнечной системы демонстрируют почти идеальную корреляцию как между общим составом, так и между составом атмосферы и массой. Внесолнечные планеты демонстрируют гораздо большее разнообразие общего состава, но ученые не знали, насколько разнообразен состав их атмосферы, до этого анализа HD149026b.

«Мы окончательно показали, что состав атмосферы гигантских внесолнечных планет не соответствует той тенденции, которая столь очевидна для планет Солнечной системы», – заявил Джейкоб Бин, профессор астрономии и астрофизики в Чикагском университете и ведущий автор статьи. – «Гигантские внесолнечные планеты демонстрируют большое разнообразие состава атмосферы в дополнение к их широкому разнообразию общего состава».

По словам Лунина, Смертриос, например, сверхобогащен относительно своей массы: «Это масса Сатурна, но в его атмосфере, по-видимому, содержится в 27 раз больше тяжелых элементов по сравнению с водородом и гелием, которые мы находим на Сатурне».

Другим ключевым измерением является соотношение углерода к кислороду в атмосфере планеты, которое раскрывает «рецепт» исходных твердых веществ в планетной системе, сказал Лунин. Для Смертриоса это примерно на 0,84 выше, чем в нашей Солнечной системе.

«В совокупности эти наблюдения рисуют картину планетообразующего диска с обилием твердых частиц, богатых углеродом», – сказал Лунин. – «HD149026b приобрел большое количество этого материала по мере своего формирования».

Хотя обилие углерода может показаться благоприятным для возникновения жизни, высокое соотношение углерода к кислороду на самом деле означает меньшее количество воды на планете или в планетной системе.

«Джеймс Уэбб» исследовал силикатные облака на далекой планете

Исследователи с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» точно определили особенности силикатного облака в атмосфере далекой планеты. Атмосфера экзопланеты постоянно поднимается, перемешивается и перемещается в течение 22-часового дня, поднимая более горячий материал вверх и толкая более холодный материал вниз. Команда, возглавляемая Бриттани Майлз из Университета Аризоны, произвела необычайно четкие определения воды, метана и монооксида углерода и обнаружила доказательства наличия углекислого газа. Это самое большое количество молекул, когда-либо идентифицированных одновременно на планете за пределами нашей Солнечной системы. Изменения яркости, которые наблюдали астрономы, поразительны. Исследователи говорят, что это самый изменчивый объект планетарной массы, известный на сегодняшний день. Планета VHS 1256 b находится примерно в 40 световых годах от нас и вращается не вокруг одной, а вокруг двух звезд в течение 10 000-летнего периода. «VHS 1256 b находится примерно в четыре раза дальше от своих звезд, чем Плутон от нашего Солнца, что делает ее отличной мишенью для «Уэбба», – сказала Майлз. – «Это означает, что свет планеты не смешивается со светом ее звезд». В атмосфере планеты, где клубятся силикатные облака, температура достигает 815 градусов по Цельсию. Внутри этих облаков «Уэбб» обнаружил как более крупные, так и более мелкие частицы силикатной пыли.

VHS 1256 b обладает низкой гравитацией по сравнению с более массивными коричневыми карликами. Это означает, что ее силикатные облака могут появляться и оставаться высоко в атмосфере, где «Уэбб» может их обнаружить. Еще одна причина, по которой ее облака такие неспокойные, - это возраст планеты. С астрономической точки зрения, она довольно молода. С момента образования планеты прошло всего 150 миллионов лет.

Исследователи только начали идентифицировать полученные данные.

«Мы идентифицировали силикаты, но для лучшего понимания того, какие размеры и формы зерен соответствуют конкретным типам облаков, потребуется много дополнительной работы», – сказала Майлз.

Первые снимки, полученные в рамках крупнейшей программы наблюдения «Джеймса Уэбба»

Первые изображения, полученные в рамках крупнейшей программы космического телескопа «Джеймс Уэбб», показывают множество типов галактик, включая ослепительные примеры спиральных галактик, гравитационное линзирование и свидетельства слияний галактик. Ученые из программы COSMOS-Web опубликовали мозаичные изображения, сделанные в начале января камерой ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRCam) и прибором среднего инфракрасного диапазона (MIRI). COSMOS-Web нацелен на нанесение на карту самых ранних структур Вселенной. Он создаст широкий и глубокий обзор до 1 миллиона галактик. «Невероятно интересно получить первые данные с телескопа для COSMOS-Web», – сказал главный исследователь Джейхан Карталтепе, адъюнкт-профессор школы физики и астрономии Рочестерского технологического института. – «Все сработало прекрасно, и данные даже лучше, чем мы ожидали. Мы действительно усердно работали над получением изображений научного качества для использования в нашем анализе, и это всего лишь капля в море того, что должно произойти». Карталтепе является соруководителем COSMOS-Web вместе с главным исследователем Кейтлин Кейси, адъюнкт-профессором Техасского университета в Остине. В международную команду входят почти 100 астрономов со всего мира. «Этот первый снимок COSMOS-Web содержит около 25 000 галактик — поразительное число, превышающее даже то, что находится в сверхглубоком поле «Хаббла», – сказала Кейси. – «Это одно из самых больших изображений JWST, сделанных на данный момент. И все же это всего лишь 4 процента данных, которые мы получим для полного обзора. Когда все будет закончено, это глубокое поле будет поразительно большим и ошеломляюще красивым».

COSMOS-Web преследует три основные научные цели: исследование эпохи реионизации, идентификация ранних массивных галактик в первые 2 миллиарда лет и изучение эволюции темной материи вместе со звездным составом галактик.

Мозаики были созданы на основе шести снимков телескопа, сделанных 5-6 января. Телескоп проведет 77 наведений в апреле и мае и 69 наведений в декабре 2023 года и январе 2024 года.