Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) φέρνει επανάσταση στην παρατηρησιακή αστρονομία

Οι δυνατότητες του JWST και η βαθύτερη κατανόηση που θα προσφέρει στον τρόπο σχηματισμού αστεριών, γαλαξιών και της συμπαντικής εξέλιξης

Το JWST αποτελεί ό,τι πιο καινοτόμο έχει να επιδείξει η τεχνολογική πρόοδος και η σύγχρονη αστρονομική έρευνα. Ο στόχος του είναι να συμβάλλει στη  βαθύτερη κατανόηση της συμπαντικής εξέλιξης από την παγκόσμια αστροφυσική κοινότητα, την ανακάλυψη νέων εξωπλανητών, την παρατήρηση πλανητικών και αστρικών ατμοσφαιρών και γενικότερα την όσο το δυνατόν καλύτερη παρατήρηση των πρώτων στιγμών  της συμπαντικής γένεσης. 

Αποτελεί τον επίσημο “διάδοχο” του άλλου θρυλικού διαστημικού αδελφού, του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble (Εικόνα 1). Το δεύτερο προσφέρει, αδιάλειπτα, τις υπηρεσίες του από το 1993, όντας πια γηραιό και έτοιμο να παροπλιστεί τα επόμενα χρόνια. Το JWST εκτοξεύτηκε στις 25 Δεκεμβρίου του 2021, μετά από πολλές αναβολές και αναβαθμίσεις, με προορισμό 1,5 εκατομμύριο χιλιόμετρα μακριά από τη Γη, σε αντιδιαμετρικό σημείο ως προς τον Ήλιο ώστε να βρίσκεται συνεχώς στο διαστημικό σκοτάδι για καθαρότερες παρατηρήσεις.

Από τη μέρα έναρξης της λειτουργίας του μέχρι σήμερα οι εικόνες και οι γνώσεις που προσφέρει στους αστρονόμους ξεπερνούν κάθε προσδοκία. Με αφορμή τις καταπληκτικές του δυνατότητες, θα ήταν καλό να το γνωρίσουμε για να κατανοήσουμε καλύτερα τα τωρινά και μελλοντικά του επιτεύγματα. 

Το σημείο από το οποίο εκτελεί τις παρατηρήσεις του είναι σταθερό στο χώρο και βρίσκεται στο λεγόμενο σημείο Lagrange 2, ένα από τα πέντε σημεία στον εγγύς γήινο διαστημικό χώρο, όπου η τριπλή παρουσία του γήινου, του σεληνιακού και του ηλιακού βαρυτικού πεδίου οδηγεί σε συνολικά μηδενική δύναμη σε όποιο σώμα βρίσκεται εκεί. Όπως είναι αυτονόητο, το συγκριτικό του πλεονέκτημα στην εξοικονόμηση ενέργειας είναι μεγάλο. Το κάτοπτρό του έχει διάμετρο 6,5 μέτρα, δηλαδή, είναι 2,5 φορές μεγαλύτερο από το κάτοπτρο του Hubble, προσφέροντας του αρκετά καλύτερη διακριτική ικανότητα (Εικόνα 1).

Η μελέτη και οι τεχνικές των δύο διαστημικών τηλεσκοπίων Spitzer και Hubble, αλλά και άλλων γήινων και εξωγήινων τηλεσκοπίων βοήθησαν στον επιστημονικό σχεδιασμό του τηλεσκοπίου. Πολλοί τωρινοί αλλά και μελλοντικοί στόχοι θα παρατηρηθούν για πρώτη φορά από τη διαστημοσυσκευή, οπότε όλα τα επιστημονικά πλάνα βασίζονται σε υποθέσεις και θεωρητικές προβλέψεις από προηγούμενες παρατηρήσεις με τα τηλεσκόπια Hubble και Spitzer.

Το μεγάλο πλεονέκτημά του είναι η παρατήρηση στο υπέρυθρο κομμάτι του φάσματος, που θα του επιτρέψει να διεισδύσει σε περιοχές απομακρυσμένες, “κρυμμένες” μέσα σε νεφελώματα και μεσοαστρική σκόνη, περιοχές δηλαδή  αόρατες για το Hubble. Ταυτόχρονα μπορεί να δει πολύ πιο μακριά από το άλλο διαστημικό τηλεσκόπιο που στηρίζεται στην υπέρυθρη παρατήρηση, το Spitzer (Eικόνα 2). Αυτο συμβαίνει γιατί η διαστολή του σύμπαντος, αλλάζει τη συχνότητα των ακτινοβολιών που εκπέμπουν τα μακρινά άστρα και οι γαλαξίες, με αποτέλεσμα να μετατοπίζεται το ορατό φως τους στην περιοχή του υπέρυθρου, επιτρέποντας στο JWST την παρατήρησή τους με την καλύτερη ευκρίνεια από οποιαδήποτε άλλη διαστημοσυσκευή (εικόνα 3).

Το τηλεσκόπιο είναι εξοπλισμένο με τέσσερα επιστημονικά όργανα παρατήρησης, που λειτουργούν στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος και ανιχνεύουν ακτινοβολίες με μήκη κύματος σε ένα εύρος που εκτείνεται από την περιοχή των 0,6 εκατομμυριοστών του μέτρου (0,6 μικρομέτρων, όπως είναι η επίσημη επιστημονική ονομασία), έως την περιοχή των 28,5 μικρομέτρων (Εικόνα 2). Η «μετάφραση» των διαφορετικών μηκών κύματος του -αόρατου για το ανθρώπινο μάτι- υπέρυθρου γίνεται με ψευδοχρώματα. Αντίστοιχες χρωματικές απεικονίσεις μπορεί να έχουμε παρατηρήσει και στις δικές μας κάμερες νυχτερινής όρασης, των κινητών ή φωτογραφικών μηχανών, όπου τα πιο μικρά μήκη κύματος, μεγαλύτερης θερμοκρασίας, θα μπορούσαν να είναι τα πιο ανοιχτά χρώματα (π.χ. άσπρο και κίτρινο), ενώ τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, μικρότερης θερμοκρασίας, τα πιο σκούρα χρώματα (π.χ. μωβ και μπλε). 

Οι επιστημονικές θεματικές που μπορεί να συνεισφέρει το JWST είναι κυρίως τέσσερεις, και αφορούν ένα μεγάλο φάσμα ερευνητικών δραστηριοτήτων. Θα τις περιγράψουμε στη συνέχεια.

Α. Το τέλος της σκοτεινής εποχής: το πρώτο φως και η εποχή του επαναϊονισμού¹

Αυτος ο ερευνητικός τομέας αφορά τα πρώτα στάδια της αστρικής δημιουργίας μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Ακριβώς πριν τη δημιουργία των πρώτων άστρων, προς τα τέλη της λεγόμενης “Σκοτεινής Εποχής”, το σύμπαν αποτελούνταν κυρίως από σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη, υδρογόνο, ήλιο, νετρίνα και μικροκυματική ακτινοβολία. Τα πρώτα άστρα δημιουργήθηκαν περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ενώ οι πρώτοι γαλαξίες σχηματίστηκαν με τη σειρά τους περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά. Οι πρώτοι γαλαξίες, οι εκρήξεις υπερκαινοφανών (supernovae) και οι πρώτες μαύρες τρύπες άρχισαν να δημιουργούνται από αυτά, τα πρώτα αστέρια. Οι πρώτοι γαλαξίες επαναϊόνισαν το μεσοαστρικό αέριο, το οποίο με τη σειρά του έδωσε τη νέα γενιά αστεριών. Το JWST μπορεί να παρατηρήσει αυτά τα πρώτα στάδια της δημιουργίας και να δώσει απαντήσεις για τη συνεισφορά του κάθε μηχανισμού στη δημιουργία της επόμενης γενιάς αστεριών και των  γαλαξιών. 

Β. Η συγκέντρωση των γαλαξιών

 Αν κοιτάξουμε τους γαλαξίες και τη χρονική τους εξέλιξη μπορούμε να καταλάβουμε τον τρόπο κατανομής της ύλης σε κοσμική κλίμακα και τον τρόπο της συμπαντικής εξέλιξης. Οι σπειροειδείς και ελλειπτικοί γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα δεν ξεκίνησαν με αυτό το σχήμα και τον όγκο. 

Παρόλη τη δουλειά που έχει γίνει μέχρι σήμερα, πολλά ερωτήματα παραμένουν ανοιχτά. Δεν γνωρίζουμε πραγματικά πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες, τι ελέγχει τα σχήματά τους και πως δημιουργούνται αστέρια σε αυτούς. Δεν γνωρίζουμε όλες τις λεπτομέρειες για το πώς παράγονται τα χημικά στοιχεία και ανακατανέμονται μέσω των γαλαξιών. Τέλος, έχουν οι κεντρικές μαύρες τρύπες μεγάλη επιρροή στη δυναμική συμπεριφορά των γαλαξιών;

Αποστολή του διαστημικού τηλεσκοπίου είναι να «κοιτάξει πίσω στο χρόνο», όσο πιο βαθιά γίνεται σε κοσμική κλίμακα. Θα μελετήσει από τους πρώτους νεοσχηματιζόμενους γαλαξίες μέχρι τους γηραιότερους, πιο κοντινούς, για να καταλάβουμε καλύτερα τη γαλαξιακή εξέλιξη. Με αυτόν τον τρόπο λοιπόν, η εξήγηση για την ποικιλομορφία των παρατηρήσιμων γαλαξιών μπορεί να δοθεί από το  JWST. 

Γ. Η γέννηση των άστρων και των πρωτοπλανητικών συστημάτων

Η ανάπτυξη μιας πλήρους θεωρίας σχηματισμού πλανητών απαιτεί ουσιαστικά περισσότερες παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένων των παρατηρήσεων νεαρών περιαστρικών δίσκων στους οποίους η παρουσία πλανητών μπορεί να εντοπιστεί.

Το JWST ελπίζουμε να απαντήσει σε πολλά βασικά ερωτήματα σε αυτό το θέμα: Πώς καταρρέουν τα πρωτοαστρικά σύννεφα; Πώς επηρεάζει το περιβάλλον τον σχηματισμό των άστρων και το αντίστροφο; Πώς σχηματίζονται τα πρωτοπλανητικά συστήματα; Πώς το αέριο και η σκόνη συνενώνονται για να σχηματίσουν πλανητικά συστήματα; Το JWST θα παρατηρήσει  αστέρια σε όλες τις φάσεις της εξέλιξής τους, από τη συνένωση σωματιδίων σκόνης για τον σχηματισμό πρωτοαστέρων, μέχρι τον σχηματισμό πλανητικών συστημάτων. Η υπέρυθρη ακτινοβολία παρατήρησης, του επιτρέπει να διεισδύει στη μεσοαστρική σκόνη για να παρατηρήσει τις φυσικές διεργασίες που παράγουν αστέρια, πλανήτες και πρωτοπλανητικόυς δίσκους (Εικόνα 4).

Δ. Πλανητικά συστήματα και η προέλευση της ζωής

Την τελευταία δεκαετία έχει ανακαλυφθεί τεράστιος αριθμός εξωπλανητών. Οι ισχυροί αισθητήρες του JWST μπορούν να κοιτάζουν αυτούς τους πλανήτες σε μεγαλύτερο βάθος, έχοντας τη δυνατότητα (σε ορισμένες περιπτώσεις) απεικόνισης της ατμόσφαιράς τους. Το JWST θα προσδιορίσει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των πλανητικών συστημάτων. 

Η κατανόηση των ατμοσφαιρών και των συνθηκών σχηματισμού των πλανητών θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να προβλέψουν καλύτερα εάν ορισμένοι πλανήτες είναι κατοικήσιμοι ή όχι.

Ενδεικτικά, το JWST εντόπισε πρόσφατα, τα ίχνη σύνθετων οργανικών μορίων στο μεσοαστρικό χώρο ενός γαλαξία που βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη των 12 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Έχει εντοπίσει ατμόσφαιρες εξωπλανητών πλούσιες σε οργανικά στοιχεία, ενώ τα φάσματα που λαμβάνονται με το διαστημικό τηλεσκόπιο, αποκαλύπτουν ενδιαφέροντα στοιχεία για τους πιο μακρινούς γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, πίσω σε μια εποχή που το Σύμπαν ήταν μόνο το 2% της σημερινής του ηλικίας. 

Βρισκόμαστε στην αυγή μιας νέας εποχής διαστημικών παρατηρήσεων. Το JWST θα παίξει πρωταγωνιστικό ρόλο για την καλύτερη κατανόηση του κόσμου που μας περιβάλλει.

¹ Με τον όρο “επαναϊονισμό” στην Κοσμολογία, εννοούμε τη διαδικασία κατά την οποία τα ηλεκτρικώς ουδέτερα άτομα ιονίστηκαν, έχασαν δηλαδή τα ηλεκτρόνιά τους λόγω της περιρρέουσας υπεριώδους ακτινοβολίας.

Βιβλιογραφικές αναφορές

Βασική βιβλιογραφική πηγή: JONATHAN P. GARDNER, P. (2006).  THE JAMES WEBB SPACE TELESCOPE. Space Science Reviews, 123, 485–606. DOI: 10.1007/s11214-006-8315-7.

Για περαιτέρω μελέτη πρόσφατων δημοσιευμένων άρθρων: https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/science-publications.