Od startu Webbova teleskopu v prosinci 2021 se v kosmologii mnohé změnilo. Tak především jsme dokázali napozorovat velké množství extrémně vzdálených galaxií. Mnohé i rekordní, probíhal dokonce až boj o to, která z pozorovaných galaxií bude mít největší rudý posuv, a tedy i největší vzdálenost. Tuto statistiku prozatím vyhrává GLASS-z12, máme ale i mnoho dalších nadějných kandidátů. Některé objekty již byly ze soutěže vyřazeny, když se ukázalo, že leží o něco blíže, než se zdálo, jiné naopak přibývají. Jednou ze stálic je galaxie se zvláštním názvem Maisie. U ní nedávno astronomové potvrdili původně avizovanou vzdálenost. Nejedná se sice o rekordní objekt, přesto je ale jeho vzdálenost enormní. Dnes se na tuto galaxii podíváme trochu blíže.

Pozorování hlubokého vesmíru

Ukázka spekter s absorpčními čarami (černé svislé pruhy). Uprostřed je referenční spektrum, nahoře spektrum vykazující rudý posuv, dole spektrum s modrým posuvem.
Zdroj: https://qph.fs.quoracdn.net/

Naše současné teleskopy, a to včetně těch extrémně pokročilých jako je Webb, zobrazí galaxie z počátku existence vesmíru jen jako malé načervenalé skvrny. Proč načervenalé? Tyto galaxie vykazují extrémní rudý posuv, což je prodloužení vlnové délky na straně přijímače. V jejich případě hovoříme o rudém posuvu (značíme z – proto GLASS-z12) mezi 10 a 13. To znamená, že se vlnová délka vyzářeného konkrétní vzdálenou galaxií na cestě k nám prodloužila desetkrát (nebo třináctkrát), zkrátka číslo označuje kolikrát se vlnová délka prodloužila. Takto vzdálené galaxie proto obvykle vidíme v infračervené části spektra, takže tak, jak je ukazuje například JWST bychom je neviděli, ovšem jde o posunutí za vlnové délky červené, barva tedy odpovídá něčemu reálnému.

Detail galaxie GLASS-z12.
Zdroj: https://universemagazine.com/

Galaxie Maisie není výjimkou, také ona se nám jeví jako drobná načervenalá skvrna, a i ona má extrémní rudý posuv. I když se nám při pohledu z Webba může zdát jako bezvýznamná, ve skutečnosti jde naopak o nesmírně zajímavou a důležitou galaxii pro astronomy i kosmology. Podobně jako množství dalších galaxií pozorovaných v prvních měsících činnosti Webbova teleskopu. Na kosmologických tématech pracují na JWST především tři velké projekty, jež si zabraly nejvíce pozorovacího času. Jde o programy CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science Survey), GLASS (Grism Lens-Amplified Survey from Space) a konečně JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey).

Detail na JADES-GS-z13-0
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Všechny tyto tři hlavní kosmologické průzkumy mají své významné výsledky. GLASS například drží rekord v nejvzdálenější zaznamenané galaxii. Mohli byste oponovat a uvést výsledky z projektů JADES a UNCOVER, ale u nich je to složitější. UNCOVER (Ultradeep NIRSpec and NIRCam Observations Before the Epoch of Reionization) je další velký program prvního cyklu. Podařilo se mu najít sice hodně vzdálené galaxie, ale jejich rudý posuv není potvrzen druhou nezávislou observatoří. V případě objektů z průzkumu JADES se zase spekuluje o tom, že by možná nemuselo jít o galaxie, nýbrž temné hvězdy. Takže GLASS skutečně drží rekord v nejvzdálenější spolehlivě potvrzené galaxii. JADES jsme už zmiňovali. Nakonec tedy máme CEERS což je právě program, který odhalil galaxii Maisie.

Projekt CEERS

Logo projektu CEERS.
Zdroj: https://ceers.github.io/

V prvním roce se o pozorovací čas Webbova teleskopu podělilo značné množství různých projektů zaměřených na celou řadu oblastí výzkumu. Jen málo z nich ale bylo pro mě osobně zajímavějších, nebo alespoň stejně zajímavých jako právě program CEERS, který v prvním cyklu zabral 77,2 hodin pozorovacího času. Hlavním vědcem byl Steven Finkelstein z Texaské univerzity v Austinu, jedné z nejzásadnějších amerických institucí v oblasti fyziky, a to jak výuky, tak výzkumu. V rámci pozorování používali odborníci z tohoto programu přístroje NIRCam, NIRSpec a MIRI, pozorovali tedy v blízkém i středním infračerveném záření, a kromě NIRISS využili též všechny dostupné instrumenty.

CEERS-93316
Zdroj: https://news.stv.tv/

Už od počátku bylo jasné, že výsledky budou nesmírně zajímavé. Podařilo se objevit galaxie CEERS-93316, jíž se připisoval rudý posuv 16,4 a také CEERS-DSFG-1, kde předpokládali dokonce rudý posuv 18. To by znamenalo, že tato galaxie existovala ve vesmíru starém jen asi 200 milionů let. Později se vědcům stojícím za projektem povedlo nalézt téhož několik o něco méně vzdálených galaxií (ale pořád extrémně dalekých), zato však se supermasivními černými dírami. O třech takových objevech jsme hovořili v šestém dílu našeho seriálu S Webbem za hlubokým nebem.

Galaxie CEERS-DSFG-1. Vpravo je ukázáno použití různých filtrů.
Zdroj: https://gadgettendency.com/

Ke všemu výše uvedenému se navíc jakoby mimochodem, zadařilo objevit i galaxii CEERS J141946.36+525632.8. Tento název je opravdu strašný, vzpomeňme na našeho velikána nejen vědy Járu Cimrmana a na to co říkal o důležitosti snadné zapamatovatelnosti názvů. Za toto vpravdě hororové jméno by nás jistě nepochválil. K jeho radosti však ani výzkumníkům projektu CEERS nešel tento název přes pusu, proto nakonec galaxii překřtili na Maisie, jméno, pod nímž je dodnes známá a vešla s ním do historie astronomie.

Nevíte, co dát blízkému k narozeninám? A co třeba galaxii?

Steven Finkelstein
Zdroj: https://www.as.utexas.edu/

Proč ale právě toto jméno? Právě tak se totiž jmenuje dcera vedoucího projektu CEERS Stevena Finkelsteina. Shodou okolností našli tuto galaxii astronomové právě na její narozeniny, Maisie tehdy měla devět let. Podle Finkelsteinova vyjádření se jeho dcera zajímá o astronomii a nesmírně stála o to, aby její tatínek galaxii objevenou v den, kdy měla narozeniny, pojmenoval právě po ní. Finkelstein jí vysvětlil, že to bohužel udělat nemůže, nicméně v soukromí a mezi kolegy galaxii takto tituloval. Pak přišel čas napsat článek a na řadu přišla i diskuse s astronomy z týmu CEERS, jak právě tuto galaxii v textu označit. Nakonec se shodli na tom, že vzhledem k tomu, že už jí stejně všichni říkají Maisie, zůstanou u tohoto názvu.

Finkelstein s rodinou.
Zdroj: https://sese.asu.edu/

A to k veliké radosti devítileté Maisie, jak snad netřeba dodávat. Inu, pokud přemýšlíte, čím potěšit vašeho potomka, který bude mít narozeniny, Stevena Finekelsteina, jak se obávám, jen tak snadno netrumfnete. Maisie se tak navíc připojila k velmi malému počtu osob, po nichž je pojmenována nějaká galaxie. Pro představu, galaxie, či skupina galaxií se jmenuje po těchto osobách: Margaret Burbidge, Roger Clowes, Luis Campusano, Ralph Copeland, Philip Keenan, Benjamin Markarian, Robert Freedman, Carl Seyfert, Édouard Stephan, Paul Wild a Fritz Zwicky. Maisie je tedy dvanáctou osobou a druhou ženou. Nicméně se jedná na tomto seznamu o jedinou neastronomku. A nikomu z dalších výše uvedených se také nepoštěstilo mít svou galaxii v devíti letech.

 Význam galaxie Maisie

Fotometrické měření rudého posuvu. V tomto případě měříme přes několik filtrů jasnost dané galaxie. Máme třeba pět filtrů a měříme jasnost v několika bodech. Metoda dále předpokládá, že už o galaxii něco dopředu víme, konkrétně tvar spektra. Díky tomu nám stačí pět bodů na přibližný odhad rudého posuvu galaxie. Metoda je velmi účinná, avšak méně přesná než spektroskopie.
Zdroj: https://ogrisel.github.io/

A čím, že je konkrétně právě tato galaxie tak významná? Její rudý posuv, jak se podařilo prokázat i spektroskopickou, a tedy přesnější metodou, dosahuje hodnoty 11,44. V první fázi totiž měříme hodnotu rudého posuvu u takto vzdálených objektů obvykle spíše fotometricky. Tato metoda je využitelná pro široké spektrum objektů a vzdáleností, navíc ji lze použít i u hodně slabých zdrojů. Nicméně bohužel ta také dosti náročná na chyby. Proto se občas stane, že je z rudého posuvu 16 zjištěného fotometricky po přezkoumání najednou hodnota 5. To je pořád obrovská vzdálenost, nechápejte mě špatně, ale od rekordu to má daleko.

Z toho důvodu je záhodno měření potvrdit výrazně přesnější spektroskopickou metodou, prostě tedy tak, že naměříte spektrum daného objektu a pak z posunu spektrálních čar určíte, jak rychle se od nás galaxie vzdaluje a jak je daleko. Pokud to zní jednoduše, vězte, že na použití tohoto postupu potřebujeme poměrně hodně světla, proto se bohužel nedá využít ani zdaleka ve všech případech. Mnohdy musíme spoléhat na fotometrii, jíž ale ne vždy můžeme plně důvěřovat. Spektroskopie má řádově menší chybu. Zvláště u rekordních galaxií se pro spektroskopické ověření vyžaduje, neradi bychom zpětně byli svědky další podobné blamáže jako u nadsvětelných neutrin.

Spektroskopicky určený rudý posuv u blízkých, vzdálených a velmi vzdálených galaxií ves rovnání s referenčním laboratorním měřením.
Zdroj: https://itu.physics.uiowa.edu/

I v případě Maisie byla nejprve použita fotometrie, tedy měření jasu galaxie na pořízených snímcích za použití relativně malého počtu širokofrekvenčních filtrů. Odtud vyšlo, že rudý posuv této galaxie činí 11,8. Ovšem vzhledem k možné chybě se odborníci rozhodli použít i NIRSpec pro zjištění hodnoty spektroskopickou technikou. Detekovali tedy absorpční či emisní spektrální čáry určitých prvků na konkrétních vlnových délkách. To jim umožnilo hodnotu rudého posuvu redukovat. Rozdíl ovšem není řádový jako u jiných případů, ale z 11,8 jsme se dostali na 11,44. Tato hodnota je spektroskopicky a ověřena a lze ji proto brát za danou. Pokud by vás zajímal rozdíl ve stáří galaxie, mezi rudými posuvy 11,8 a 11,44, pak vězte, že jde o několik desítek milionů roků.

Na GLASS-z12 s rudým posuvem 12,12 (ověřeno soustavou radioteleskopů ALMA v Chile) tedy Maisie něco schází, naopak GN-z11 s rudým posuvem 10,60, nejstarší galaxii nalezenou Hubbleovým teleskopem (nepočítáme-li různé spekulativní spektroskopicky neověřené nálezy jako je HD1) překonává dosti výrazně. Rudému posuvu 11,44 odpovídá vzdálenost 13,4 miliardy světelných let, jinými slova tato galaxie existovala už v době, kdy byl vesmír starý jen 390 milionů roků. To z ní činí druhou nejvzdálenější dosud potvrzenou galaxii.

Souhvězdí Pastýře.
Zdroj: https://in-the-sky.org/

Pokud by vás zajímalo, kde galaxie Maiie leží, vězte že se nachází v souhvězdí Pastýře (latinsky Boötes). Toto souhvězdí je nám dobře známé, lze jej dobře pozorovat i z Česka, a to po větší část roku, nachází se zde navíc nejjasnější hvězda severní oblohy Arcturus. Nicméně Maisie byste pochopitelně spatřit nedokázali, s tím má i Webb potíže, a to jde o špičkový přístroj za miliardy dolarů. Maisie je totiž tak daleko, že spatřit ji pomocí jiných přístrojů, i kdyby to byl třeba Hubbleův dalekohled, by bylo nemožné. Hubble totiž není dostatečně velký, přesněji nemá dost velký průměr zrcadla, a navíc jeho frekvenční rozsah nesahá tak hluboko do infračerveného záření, aby mohl takto vzdálený objekt spatřit.

Jak vypadal mladý vesmír?

Porovnání galaxie Maisie s CEERS 93316.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Webb se totiž dívá na samotnou hranici možného. Díky němu můžeme spatřit, jak se mladé galaxie formovaly a vyvíjely v prvních milionech let své existence. Vesmír byl v té době mnohem menší, než dnes (minimálně pozorovatelný vesmír), takže v něm všechno bylo k sobě vzájemně blíže a více nahuštěné. V důsledku toho bylo tehdejší prostředí také významně aktivnější než dnes. Galaxie se velmi často srážely a slučovaly. Mimochodem, ani ty galaxie nevypadaly zdaleka stejně jako dnešní galaxie, které můžeme pozorovat blízko nám. Jejich rozměr byl totiž řádově menší.

Galaxie Maisie na snímku z přístroje NIRCam.
Zdroj: https://cdn.sci.news/

Navíc, vzhledem k mládí vesmíru, i tehdejší hvězdy byly všechny velmi mladé. Vidíme proto převážně jasné modré a bílé hvězdy. To platí i pro Maisie, v níž vidíme velké množství právě se rodících modrých hvězd. Tento proces navíc probíhá velmi rychle, takže Maisie můžeme zařadit mezi tzv. hvězdotvorné galaxie s intenzivní tvorbou nových hvězd. Přestože galaxii vidíme načervenalou kvůli rudému posuvu, vzhledem k oné intenzivní tvorbě hvězd je oproti očekávání mnohem „modřejší“. V porovnání s okolo ležícími galaxiemi tvoří Maisie nové hvězdy výrazně rychleji a je také mnohem kompaktnější. Tato data mohou vést k potřebě upravit naše modely tvorby hvězd ve velmi mladém vesmíru, neboť galaxie patrně tvořily hvězdy efektivněji, než jsme předpokládali.

Galaxie Maisie v detailu
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

Kromě toho je také Maisie o dost jasnější, než jsme očekávali. Pokud to platí i pro další galaxie v raném vesmíru, což nám tento objev naznačuje a data z JWST v zásadě potvrzují, mohlo by to velmi usnadnit jejich hledání. Vzhled galaxie Maisie nám současně říká to, že jde o objekt složený převážně z vodíku a helia, tedy dvou prvků, které jako jediné ve větším množství vyprodukovala primární nukleosyntéza velkého třesku. Naopak zastoupení jakýchkoli těžších prvků, jako třeba kyslíku nebo uhlíku, které vznikaly poměrně brzy, je zde dosti malé.

Závěr

Představili jsme si galaxii Maisie, ale její studium zdaleka nekončí. Astronomové k jejímu studiu použijí také přístroj MIRI pracující ve středním infračerveném záření, s jehož pomocí chtějí zjistit přesné zastoupení těžších prvků a podívat se, zda se v ní vyskytuje nějaký mezihvězdný prach. Výhoda galaxie Maisie je totiž v tom, že je na svůj věk a vzdálenost dosti jasná, takže se nám poměrně dobře studuje. Můžeme tak na ní zkoumat obecnější zákonitosti, které platily v mladém vesmíru.

Poznámka autora

• Na tomto místě měl původně vyjít 8. díl seriálu S Webbem za hlubokým nebem, kterým jsem vám chtěl na konci roku udělat radost. Leč osud rozhodl jinak. Před pár dny jsem měl technické problémy s počítačem, který musel být kvůli tomu dva dny u kolegy v opravě. Nestihl jsem tedy další díl seriálu včas dodělat. Vyjde tedy až v lednu. Za zpoždění se omlouvám.

Použité a doporučené zdroje

• ESA Webb: https://esawebb.org/
• NASA Web: https://webb.nasa.gov/
• Webb Telescope: https://webbtelescope.org/
• ESA Hubble: https://esahubble.org/

Zdroje obrázků

• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/BXaaDGsuaPskUhwHeVAtbg.png
• https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-06512ad70ef3c9fd9b75216e35da48cf
• https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2022/07/sei_115555193.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/JADES-GS-z13-0.png
• https://ceers.github.io/images/CEERS_white.png
• https://news.stv.tv/wp-content/uploads/2022/07/8c428b22f8acd1988ef91727006c09d7-1659184656.jpg
• https://gadgettendency.com/wp-content/uploads/2022/08/James-Webb-Space-Telescope-Captures-Imposter-Galaxy.png
• https://www.as.utexas.edu/~stevenf/images/sf_headshot.jpg
• https://sese.asu.edu/sites/default/files/styles/16x9_medium/public/steven_finkelstein.jpg?itok=32_ThNJs
• https://ogrisel.github.io/scikit-learn.org/sklearn-tutorial/_images/plot_sdss_filters_21.png
• https://itu.physics.uiowa.edu/sites/itu.physics.uiowa.edu/files/2021-08/itu/redshift_galaxyspectra.png
• https://in-the-sky.org/data/charts/BOO_1_sm.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Ages_of_Candidate_Cosmic_Ancients_%28Stamps_dropout_press_version_noz%29.png
• https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11066_1e-Maisies-Galaxy.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/FYjAupiWYAAKvYj?format=jpg&name=large