Dnešní díl našeho seriálu S Webbem za hlubokým nebem bude dost netradiční. Jste zřejmě zvyklí na to, že si vždy probereme nejnovější objevy nebo vydařené dechberoucí fotografie. Někdy všechny oblasti Webbova výzkumu dohromady, výjimečně pak jde o díl s užším zaměřením, jako byl nedávný speciál, který se týkal nádherných snímků blízkých spirálních galaxií. Protože si však nyní připomínáme výročí zveřejnění prvních snímků Webbova teleskopu, rozhodl jsem se, že by nový díl měl být poněkud netradiční. Místo obvyklého rozboru nových dat se podíváme na několik důležitých vědeckých projektů, které s Webbovým teleskopem pracují. A protože už mě všichni dobře znáte, tušíte, že půjde o projekty zaměřené na kosmologii.

1) JADES – JWST Advanced Deep Extragalactic Survey

Čím jiným začít než programem, jehož se účastní i Čech, konkrétně Jan Scholtz z Cambridgeské univerzity ve Spojeném království. „Jeho“ projekt získal je znám jako JADES a zaměřuje se průzkum galaxií v hlubokém vesmíru. Což lze ostatně rozklíčovat už z jeho plného názvu. J odkazuje na JWST, A na Advanced tedy pokročilý, D znamená Deep, což nám zase říká, že půjde o program zaměřený na hluboký vesmír. Extragalactic (E) pak říká, že půjde o výzkum oblastí mimo naši Galaxii, což je ale ve skutečnosti jasné už z předchozího D. No a konečně S skrývá slovo Survey, což znamená přehlídka.

Tedy program JADES měl za úkol provádět přehlídkový průzkum hlubokého vesmíru s cílem najít extrémně vzdálené objekty. Dokonce tak vzdálené, že by měly přepsat rekordní tabulky. A skutečně, několik zástupců velmi raných galaxií objevených právě tímto projektem se nyní drží na předních místech v žebříčku nejvzdálenějších známých astronomických objektů. A zatím to vypadá, že své postavení na čele tohoto pořadí nechtějí vědci stojící za projektem JADES jen tak někomu přepustit.

Složení projektu JADES

Takže kdo z vědců, kromě našeho Jana Scholtze, tvoří vědecký tým kolaborace JADES? Klíčovou osobností je třiasedmdesátiletá americká astrofyzička Marcia Jean Rieke, profesorka astronomie na Arizonské univerzitě v Tucsonu. Dlouhodobě působí také na Steward Observatory. S kosmickým výzkumem má již bohaté zkušenosti, jelikož byla jednou z předních vědkyň zapojených do pozorování se Spitzerovým i Hubbleovým teleskopem. Poté se jí dostalo velké pocty, když byla jmenována hlavní vědkyní celého přístroje NIRCam na Webbově teleskopu. Kromě toho se podílí právě i na projektu JADES. Pokud by se snad měla jednou za výsledky Webbova teleskopu udělovat Nobelova cena, je právě Marcia Rieke jednou z horkých favoritek.

Kromě toho se projektu JADES účastní i její manžel, George Rieke, odborník na infračervenou astronomii. Z dalších alespoň trochu známějších vědců můžeme zmínit třeba ještě Daniela Eisensteina, amerického kosmologa z Harvardovy univerzity, který roku 2014 obdržel Shawovu cenu za astronomii a to za výzkum velkorozměrových struktur v našem kosmu. Zajímavými postavami jsou i astrofyzička Erica Nelson z Coloradské univerzity v Boulderu či italsko-britský fyzik Roberto Maiolino z Cambridgeské univerzity. Ve vědeckém týmu stojícím za programem JADES však můžete najít i několik vědců pracujících přímo pro Evropskou kosmickou agenturu či pro přední evropské univerzity, byť je nutno přiznat a akceptovat převahu Američanů.

Kde se pozoruje?

Pokud jde o výběr místa pozorování, nebyl tým projektu JADES, a to si přiznejme, právě moc originální. Rozhodli se totiž použít dvě snad nejslavnější hluboká pole v celé historii astronomie. Jedno z nich je vůbec první sledované hluboké pole, pro které v 90. letech vyhradil tehdejší ředitel Hubbleova teleskopu svůj pozorovací čas a nachází se na severní obloze v souhvězdí Velké medvědice. Druhé, které Hubbleův teleskop použil poněkud později, jako Hubble Ultra Deep Field, leží na jižní obloze, konkrétně v souhvězdí Pece. Zatímco dříve byla hluboká pole trochu ohroženým druhem a jen těžko se prosazovala, dnes jde naopak o velmi populární způsob, jak získat data o velmi vzdálených objektech.

Obě původně Hubbleova pole se tak dočkala mnoha dalších návštěv a to zejména od velkých observatoří NASA. Podívaly se sem Spitzerův vesmírný dalekohled pracující v infračervené oblasti i rentgenová observatoř Chandra. Do těchto míst se ale zaměřil i velký evropský rentgenový dalekohled XMM-Newton a nejnověji též Webbův dalekohled. Obě tato hluboká pole jsou proto dnes již známa jako GOODS Fields, kde GOODS znamená Great Observatories Origins Deep Survey. Ke zkratce GOODS se pak přidává ještě písmeno N, pokud jde o severní pole ve Velké medvědici, či písmeno S, hovoříme-li o jižním poli v Peci.

Mohli byste si myslet, že vědcům při výběru cílů pozorování snad trochu chyběla odvaha. Nebylo by přece jen lepší vybrat nějaké dosud tak moc neprozkoumané místo na obloze? Ukazuje se, že ve skutečnosti nebylo. Zvolíme-li již známe a probádané území, nepouštíme se do neznámých vod ale můžeme svá pozorování snadno porovnat s dřívějšími měřeními jiných observatoří. Pak se může ukázat v čem je náš nový dalekohled lepší a co vidí navíc oproti starším sourozencům. Můžeme tak vidět nové, dosud neznáme objekty. Pokud však vidíme některé známe již z dřívějška, dokážeme zase srovnat parametry naměřené oběma přístroji. V realitě tak má sledování již známé oblasti celou řadu nesporných výhod.

Kdy se pozorovalo?

Program JADES byl vůbec největším projektem prvního pozorovacího cyklu Webbova dalekohledu. Na tomto místě je asi vhodné vysvětlit, že každý pozorovací cyklus zabírá rok práce dalekohledu. Nikoliv však rok kalendářní, ba ani fiskální, ale rok, který začíná přibližně právě v době uveřejnění prvních vědeckých snímků, totiž na začátku července. První pozorovací cyklus tak běžel od července 2022 do června 2023, druhý pozorovací cyklus od července 2023 do června 2024 a třetí pozorovací cyklus nám začal právě v těchto dnech a poběží do června 2025. V rámci každého cyklu jsou zastoupeny nové programy, takže JADES měl jisté pozorování v průběhu cyklu číslo jedna.

Celkem měl přiděleno 770 pozorovacích hodin. Při vydělení 24 snadno zjistíte, že je to více než 32 dní. Jeden jediný program tedy zabral celý měsíc pozorovacího času největšího kosmického dalekohledu. Z toho 620 hodin připadlo na jižní pole v Peci, zatímco 150 hodin na severní pole ve Velké medvědici. Nakonec se však zjistilo, že je časová náročnost programu tak velká, že se ani v rámci prvního pozorovacího cyklu nestihne. Dodatečná pozorování proto byla prováděna až do konce roku 2023, ještě v rámci druhého pozorovacího běhu. Zhruba 40 % pozorování se stihlo od září 2022 do ledna 2023, od února do května 2023 se pak stihlo celé pozorování na severní obloze, zbytek byl doděláván později.

Čím se pozorovalo?

Webbovým dalekohledem přeci, co to je za hloupou otázku. No ano, je jasné, že Webbovým dalekohledem, nás ale teď zajímají spíše konkrétní přístroje. JADES použil všechny přístroje, které má Webbův teleskop k dispozici, kromě přístroje NIRISS. Jinými slovy NIRCam a NIRSpec pracující v blízké infračervené oblasti a MIRI pozorující ve střední infračervené oblasti. Pokryty tak byly vlnové délky od 0,6 do 28 mikrometrů, přičemž interval 0,6 až 5 mikrometrů obstaral NIRCam, zbytek pak MIRI. Nicméně MIRI v tomto případě sloužila spíše na různá doprovodná a dodatečná pozorování, střední infračervená oblast totiž není v pozorování vzdáleného vesmíru natolik důležitá jako třeba v případě sledování mlhovin nebo mezihvězdných mračen plynu.

Z toho důvodu se využily především přístroje NIRCam a NIRSpec. První jmenovaný při fotografování vzdálených oblastí našeho vesmíru. Jeho zásluhou tak vznikly překrásné snímky hlubokých polí, které můžete obdivovat v galerii Webbových nejpovedenějších fotografií. Je však jasné, že nejde jen o působivé obrázky pro veřejnost, ale především o vědu. NIRCam jednak dokázal velmi dobře zobrazit mnohé objekty u nichž by to dříve, se slabšími detektory, nebylo možné, dokázal nicméně vytipovat i vhodné objekty pro podrobnější průzkum přístrojem NIRSpec. Při něm se prováděla velmi podrobná spektroskopická měření, která dokázala přesně stanovit chemické složení studovaných objektů, ale také určit jejich vzdálenost.

Připomeňme si, že vzdálenost se u takto vzdálených galaxií a jiných objektů určuje právě spektroskopicky díky tzv. rudému posuvu. Jedná se o to, že vidíme spektrum nějakého vzdáleného objektu a víme, jak by mělo vypadat, kdyby byl daný objekt v našem okolí či případně v laboratoři, protože vidíme spektrální čáry jednotlivých prvků a víme, na jakém místě by se měly nacházet. V tomto případě je však vidíme posunuty směrem do červené části spektra (ve skutečnosti až daleko za viditelné červené světlo). To nám říká, že a jak rychle se od nás objekt vzdaluje a také nám to umožní určit jeho přesnou vzdálenost.

Takže například předpokládejme, že u pozorované galaxie zjistíme, že jsou spektrální čáry oproti normálu posunuty pětkrát. Víme tak, že je rudý posuv objektu pět, jinými slovy, světlo galaxie za dobu letu směrem k nám prodloužilo svou vlnovou délku pětinásobně. Hodnota rudého posuvu nám pak jednoznačně stanovuje vzdálenost ve vesmíru. Pro rudý posuv 5 je vzdálenost něco kolem 12 miliard světelných let. Nejvzdálenější galaxie mají rudý posuv kolem 14. Reliktní záření, nejvzdálenější věc zachytitelná elektromagnetickým zářením má pak rudý posuv 1100. NIRSpec dokázal provést celou řadu zajímavých spektroskopických měření, čímž upřesnil data získaná skrze NIRCam.

Výsledky projektu JADES

Na tomto místě rozhodně není prostor procházet všechny zajímavé výsledky publikované v desítkách vědeckých článků, takže vypíchněme jen to nejzásadnější. Ke konci roku 2022 byl oznámen objev objektu JADES-GS-z13-0 s rudým posuvem 13,2, což odpovídá vzdálenosti asi 13,4 miliardy světelných let. Vzdálenost byla již potvrzena i spektroskopicky, takže ji můžeme považovat za téměř jistě danou. Bohužel, jak už to v podobných situacích bývá, objevily se problémy jiného druhu. Ne snad, že by se ukázalo toto pozorování jako falešné. Objevily se ovšem poměrně závažné spory o povahu objektu JADES-GS-z13-0.

Zatímco totiž většina astronomické komunity, včetně mě, vidí za objevem „jen“ (jen je ve velkých uvozovkách, protože i to by bylo úžasné) extrémně vzdálenou galaxii, existuje skupina vědců, kteří se domnívají, že se jedná o tzv. temnou hvězdu. Ano, slovo temná vám zde evokuje temnou hmotu správně. Vzhledem k tomu, že je temné hmoty v kosmu více než baryonické hmoty a ve skutečnosti na sebe tená hmota nabaluje tu běžnou, domnívají se někteří, že je JADES-GS-z13-0 ve skutečnosti gigantickou ranou hvězdu tvořenou částečně (ve  skutečnosti poměrně malou částí) temnou hmotou.

I kdyby však JADES-GS-z13-0 nebyl galaxií, dnes už známe dvě vzdálenější galaxie, konkrétně JADES-GS-z14-0 a o něco slabší JADES-GS-z14-1. Druhá disponuje rudým posuvem 13,9, zatímco první dokonce rudým posuvem 14,3 (obě hodnoty potvrzeny spektroskopicky), což ji se vzdáleností asi 13,5 miliardy světelných let činí nejstarší a nejvzdálenější známou galaxií. Objev obou těchto extrémně dalekých galaxií byl oznámen teprve před pár měsíci. Všechny tři galaxie, o nichž jsme zde hovořili pocházejí právě z hlubokého pole GOODS-S v souhvězdí Pece a zaujímají první tři místa mezi rekordními galaxiemi. Na čtvrtém místě je pak zástupce nalezený projektem UNCOVER v souhvězdí Sochaře.

Zajímavá je i galaxie JADES-GS-z12-0, která je s rudým posuvem 12,6 a vzdáleností 13,4 miliardy světelných let pátou nejvzdálenější. U ní byly pozorování prvky uhlík, kyslík a neon. Jde tak o nejvzdálenější objekt s potvrzenými těžšími prvky, které nevznikly při nukleosyntéze Velkého třesku, ale až později jadernými reakcemi ve hvězdách. Celou paletu extrémně dalekých galaxií nám vhodně doplňují objekty JADES-GS-z11-0 a JADES-GS-z10-0, jež byly pozorovány při stejné příležitosti jako jejich vzdálenější kolegyně JADES-GS-z12-0 a JADES-GS-z13-0. Co o nich víme? JADES-GS-z11-0 disponuje rudým posuvem 11,68 a leží od nás tedy asi 13,41 miliardy světelných let, JADES-GS-z10-0 potom vykazuje rudý posuv 10,38, čemuž odpovídá vzdálenost 13,35 miliardy světelných let.

A ještě jeden velmi vzdálený objekt souvisí s přehlídkou JADES.  roce 2009 byla v rámci činnosti Hubbleova kosmického dalekohledu v souhvězdí Pece ve zdejším hlubokém poli GOODS-S pozorována galaxie UDFj-39546284. Publikace objevu přišla o rok později s tím, že naměřený rudý posuv je něco kolem deseti. Pozdější průzkum Hubbleova a Spitzerova teleskopu dokonce naznačoval ještě vyšší rudý posuv, až kolem dvanácti. To ovšem bylo později zpochybněno, někteří se domnívali, že jde jen o zvláštní galaxii s velmi silnými emisními čarami, která takto vzdálený objekt pouze dovedně imituje. Webbův dalekohled ovšem při své práci v poli GOODS-S pozoroval i galaxii UDFj-39546284 a spektroskopicky potvrdil, že má skutečně rudý posuv o hodnotě 11,58 a je od nás tedy vzdálena 13,41 miliardy světelných let.

Až do začátku činnosti Webbova dalekohledu byla nejvzdálenější známou galaxií GN-z11 v hlubokém poli GOODS-N v souhvězdí Velké medvědice. Poprvé ji pozoroval Hubbleův teleskop. JWST upřesnil hodnotu jejího rudého posuvu na 10,6, což odpovídá vzdálenosti 13,38 miliardy světelných let. A to právě v rámci programu JADES. Zjistilo se také, že galaxie GN-z11 obsahuje vůbec nejstarší známou aktivní supermasivní černou díru. Takovou černou díru má ve svém středu každá slušná galaxie, avšak aktivní černá díra není úplně samozřejmá. Takový objekt vyzařuje značné množství světla, když do něj padá okolní materiál. Proto je GN-z11 tak jasná. Takže jak vidíte, projekty JWST nám můžou hodně prozradit i o již dříve pozorovaných velmi vzdálených objektech.

Na závěr si představme ještě dvě bližší galaxie, byť slovo bližší musíme brát dost s rezervou. JADES-GS-z7-01-QU totiž vykazuje rudý posuv 7,29, což stále odpovídá vzdálenosti 13,05 miliardy světelných let. Tato galaxie vznikla asi 650 milionů let po Velkém třesku, následně zažila asi 80 milionů let dlouhé bouřlivé období vzniku nových hvězd, které však skončilo zřejmě 20 milionů let předtím než jsme ji pozorovali. Od té doby už žádné nové hvězdy netvoří a jde tak o nejstarší známou mrtvou galaxii. JADES-GS-z-6 je ještě mladší, pozorujeme ji v době asi miliardy let po vzniku vesmíru. Dokázali jsme však u ní najít stopy prachových zrn bohatých na uhlík. Jedná se zřejmě o drobná zrnka grafitu či diamantů, která se vytvořila v raných masivních hvězdách a při explozích supernov. Tato galaxie je také výrazně bohatší na prach než podobné galaxie ve stejné vzdálenosti.

2) CEERS – The Cosmic Evolution Early Release Science Survey

O projektu CEERS jsme na našem webu již mnohokrát četli v rámci mého „Webbova“ seriálu i v jiných samostatných článcích. A ostatně tento projekt byl námětem mnoha přednášek a diskuzí, vzhledem k tomu, že se do něj vkládaly velké naděje. Pokud si opět rozebereme název, zjistíme, že C reprezentuje Cosmic, tedy kosmický, což nás u Webbova teleskopu nemůže překvapit. Dále tu máme dvakrát E, jednou jako Evolution, podruhé jako Early. Jde tedy o projekt studující evoluci raných objektů. S poté reprezentuje Science, čili se jedná o projekt vědecký, což opět není nic šokujícího. A nakonec zde máme znovu S jako Survey, což nám říká, že se opět bavíme o přehlídkovém programu.

Právě kolaborace CEERS patřila mezi ty vůbec nejviditelnější v rámci celého prvního roku práce Webbova dalekohledu a to vlastně platí i pro pozdější období. Nejen, že se zde podařilo nasnímat značné množství velmi vzdálených a mimořádně zajímavých objektů, ale za srdce nás mohl zasáhnout i jeden HLP, tedy hluboký lidský příběh. Vedoucí projektu totiž pojmenoval jednu ze vzdálených galaxií po své dceři, nadšené příznivkyni astronomie a průzkumu vesmíru. Tehdy devítiletá Maisie tak bude mít na obloze navždycky svou vlastní vzdálenou galaxie.

Složení projektu CEERS

Kdo, že je otcem oné slavné Maisie? Je to americký astrofyzik Steven Finkelstein, profesor na Texaské univerzitě v Austinu. Finkelstein se dlouhodobě věnuje extragalaktické astronomii a na tomto poli dosáhl již značných úspěchů, není tedy divu, že se chopil i vedení takto významného vědeckého projektu. Součástí týmu jsou ale i další dva slavní členové, či v tomto případě spíše členky. Jde o astrofyzičky Sandru Faber a Allison Kirkpatrick. Faber je profesorkou na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz, kde se zabývá především evolucí galaxií. Je držitelkou několika předních ocenění a v minulosti se podílela na pozorováních Hubbleova teleskopu. Allison Kirkpatrick učí na Kansaské univerzitě a též pracovala s daty Hubbleova, Spitzerova či Herschelova teleskopu.

Kromě třech nejznámějších členů a členek najdeme v projektu CEERS i celou řadu dalších zajímavých osobností světové astronomie. Většina týmu je tvořena odborníky z USA, což není příliš překvapivé, když uvážíme, že je Webbův teleskop z velké části americký projekt a že právě v USA je mnoho prestižních institucí se špičkovými vědci oboru. Ale, podobně jako u programu JADES, i zde najdeme i odborníky z mnoha evropských pracovišť, včetně vědců Evropské kosmické agentury. Účastní se vědci z Francie, Spojeného království, Španělska či Itálie. Oproti projektu JADES však chybí český zástupce (byť ve službách zahraniční univerzity). Mimochodem, jediná zástupkyně ESA, Rachana Bhatawdekar, se účastní i programu JADES.

Kde se pozorovalo?

Vědecký tým projektu CEERS vybral k pozorování hluboké pole známé jako Extended Groth Strip Deep Field. Jedná se o oblast na pomezí souhvězdí Velké medvědice a souhvězdí Pastýře. Na rozdíl od projektu JADES bylo v tomto případě všechno vsazeno jen na jedno místo a to na severní obloze. Poprvé byla tato oblast důkladně nasnímána Hubbleovým teleskopem a to v letech 2004 a 2005. Pozor, nepleťte si ji s Hubbleovým hlubokým polem, které je také na severní obloze v souhvězdí Velké medvědice, ale na jiném místě. Tato dvě hluboká pole se nepřekrývají. Extended Groth Field má tvar dlouhého obdélníku a délkou 70 obloukových minut a šířkou 10 obloukových minut. Jde o oblast asi o šířce prstu při natažené paži.

Oblast má název Groth podle amerického astrofyzika Edwarda Grotha III, který se významně podílel na rozvoji kosmologie, relativistické astrofyziky a rovněž měl nezanedbatelnou zásluhu na vývoji a pozorování Hubbleova teleskopu. Byl to právě on, kdo pozorování této oblasti oblohy prosadil. První studium jeho hlubokého pole pak vedla Sandra Faber, v tuto chvíli tedy její účast na projektu CEERS a výběr právě této oblasti oblohy začíná dávat perfektní smysl. Při průzkumu bylo odhaleno na 50 000 galaxií, od těch bližších až po hodně vzdálené. Protože zde můžeme vcelku nerušeně koukat do hlubokého vesmíru, jedná se o zcela ideální oblast pro podrobné zkoumání Webbova dalekohledu.

Kdy se pozorovalo?

CEERS patří mezi větší projekty prvního pozorovacího cyklu, takže běžel mezi červencem 2022 a červnem 2023. Konkrétně mu bylo přiděleno 77 pozorovacích hodin, v jejichž průběhu měl získat data z celkem 100 čtverečních obloukových minut v oblasti Extended Groth Strip Field. Všechna pozorování byla navíc prováděna v místě, kde už pozoroval Hubbleův kosmický dalekohled, což umožnilo rychlé a přesné porovnání dat obou přístrojů. Všechna pozorování projektu se odehrála od června do prosince 2022. Přesněji řečeno ve dvou oknech, červnovém a prosincovém. Na konci června se provedlo několik prvních snímků, další pak přišly kolem Vánoc, od 20. do 25. prosince. Dokážete si představit lepší způsob jak oslavit Vánoce a 1. výročí vynesení teleskopu?

Čím se pozorovalo?

Tuto podkapitolu můžeme v podstatě zcela okopírovat z projektu JADES, rozdíly zde téměř neexistují. Ano, i v rámci projektu CEERS se pozorovalo třemi ze čtyř vědeckých přístrojů Webbova teleskopu. Zapojen byl detektor MIRI ve střední infračervené oblasti a detektory NIRCam a NIRSpec v blízké infračervené oblasti. Opět tak byl pokrytý celý interval vlnových délek mezi 0,6 a 28 mikrometrů. Oblast do 5 mikrometrů pozoroval NIRCam, zbytek pak MIRI. I zde také platí, že většina pozorování probíhala v blízké infračervené oblasti, střední zde znovu sloužila spíše na doplnění a rozšíření našich měření.

Ostatně, dvacet polí pokryl NIRCam, MIRI „jen“ osm. NIRCam a MIRI i v tomto případě poskytly krásné snímky hlubokého vesmíru, právě takové, jaké lidé obdivují a jaké si můžete dát třeba na plochu monitoru nebo na zeď. Jejich zásadním úkolem bylo ale zobrazit hluboká pole a zajímavé objekty v nich a to pro jejich vlastní průzkum, jakož i pro podrobnější snímkování přístrojem NIRSpec, který měl za úkol stanovit chemické složení galaxií v raném vesmíru, ale také určit jejich vzdálenost a sledovat, jak se pohybují. Také zde platí, že jediným nepoužitým přístrojem byl NIRISS, to mají tyto kosmologické průzkumy vesměs společné.

Výsledky projektu CEERS

Byla to právě data projektu CEERS, která před časem vyvolala bouřlivou debatu o tom, zda to náhodou s našimi kosmologickými poznatky není špatné a zda není všechno jinak. Občas někdo dokonce zpochybňoval i teorii Velkého třesku. Ukázalo se, že jsou tyto názory značně přehnané. Třeba už proto, že platnost Velkého třesku nikterak nezávisí na jakýchkoliv výsledcích Webbova teleskopu. Podařilo se ovšem pozorovat dvě problematické galaxie, které měly mít rudý posuv kolem 16 (CEERS 93316), a 18 (CEERS DSFG-1) což by značilo na stáří kolem 13,55 miliard let, takže tyto galaxie by existovaly v kosmu starém asi 250 milionů let. Následně se ovšem ukázalo, že měření těchto extrémních galaxií zásadně ovlivnil kosmický prach.

Obě galaxie tak opravdu měly značný rudý posuv, ten se ale pohyboval kolem hodnoty pět. To pořád ukazuje na stáří přes 12 miliard let, ale už se nejedná o ty obrovské hodnoty, kvůli nimž bychom museli přemýšlet o zásadní změně teorie evoluce raných galaxií. Ale co další objevy? Jak už jsme si řekli, jedna hodně vzdálená galaxie byla pojmenována Maisie, podle dcery hlavního vědce Finkelsteina. Její oficiální název zní CEERS J141946.36+525632.8, ale myslím, že sami jistě rádi uznáte, že Maisie zní mnohem lépe, takže i my budeme dále používat této název. Jde o nejvzdálenější potvrzenou objevenou galaxii projektu CEERS a devátou nejvzdálenější celkově. Její rudý posuv činí 11,44, což odpovídá vzdálenosti 13,41 miliardy let.

Hned za Maisie je v pořadí nejvzdálenějších potvrzených galaxií CEERS2 588, s rudým posuvem 11,04. Tomu odpovídá vzdálenost 13,39 miliardy světelných roků. Oba důležité objevy projektu CEERS tak vidíme zhruba v době, kdy bylo vesmíru 400 milionů let. CEERS2 588 má navíc tu zvláštnost, že je ze všech potvrzených galaxií s rudým posuvem větším než 11 nejzářivější. To znamená, že má zdánlivou magnitudu 26,9, pro srovnání, největší běžné prodejné astronomické dalekohledy mají dosah zhruba kolem 15. magnitudy. Jinak jsou CEERS2 588 i Maisie součástí pole Extended Groth, což není vůbec překvapivé, když víme, že se v rámci projektu CEERS nikde jinde nepozorovalo.

V souhvězdí Pastýře najdeme ještě jednu velmi zajímavou galaxii nalezenou projektem CEERS v rámci průzkumu v prvním pozorovacím běhu teleskopu. Jde o galaxii CEERS 2112. Když se podíváme na její rudý posuv, zjistíme, že byla spektroskopicky určena hodnota 3,03. Ve srovnání s extrémními galaxiemi s rudým posuvem 11 je to samozřejmě malé číslo, ale i tato hodnota stále odpovídá vzdálenosti 11,7 miliardy světelných let. Pravda, nejde o nějakou dechberoucí hodnotu v kontextu galaxií obecně. Nicméně o dost působivěji toto číslo zní ve správném kontextu. CEERS 2112 je totiž nejvzdálenější dosud objevenou a potvrzenou spirální galaxií s příčkou. Víme tak, že tento typ galaxií existoval už ve vesmíru starém 2,1 miliardy roků.

Zajímavé je i podívat se na další zaznamenané objekty, které ovšem dosud nemůžeme zařadit mezi potvrzené galaxie, nýbrž „pouze“ mezi kandidáty. Hned dvě takové kandidátské galaxie se svým naměřeným rudým posuvem 12,56 a 11,9 překonávají poměrně výrazně i rekordmanku projektu CEERS, Maisie. Další dvě galaxie ji s rudým posuvem 11,4 dorovnávají a ještě další čtyři galaxie překonávají rudý posuv 11 a tím i dříve nejvzdálenější galaxii GN-z11. V tomto bodě je ale nutné zopakovat, že v případě kandidátských galaxií jde o rudý posuv naměřený fotometricky, zjednodušeně podle jasnosti galaxie. Je třeba hodnotu potvrdit přesnější spektroskopickou metodou a ideálně i jinou observatoří, jako je ALMA či alespoň jiným Webbovým detektorem.

Výzkumníci stojící za projektem CEERS však nezkoumali jen samotné galaxie, ale i jejich statistiku. V hlubokém poli Extended Groth detekovali za celou dobu pozorování asi 100 000 galaxií, přičemž se zaměřili na to, jaké měly vzdálené galaxie nejčastěji tvary. Zjistili, že výrazně dominují ploché a protáhlé galaxie připomínající nudle či surfovací prkna. To je poněkud překvapivé, neboť v našem sousedství jsou podobné tvary galaxií dosti vzácné, byť nelze říci, že by neexistovaly. Podařilo se najít i zploštělé galaxie ve tvaru disků či kulovité galaxie ve tvaru sportovních míčů. Tyto typy jsou však nejméně časté, což platí zvláště pro kulovité galaxie. Proč se tvary prvotních galaxií výrazně liší od dnešního stavu je předmětem dalšího výzkumu.

Kromě samotných galaxií nás ovšem zajímají i černé díry, protože jak víme, každá solidní galaxie by měla ve svém středu jednu supermasivní černou díru mít. Tato černá díra bývá velmi hmotná, dosahuje ekvivalentu milionů až miliard našich Sluncí a současně je klíčová pro rozvoj galaxie, bez nich by se galaxie totiž nikdy nemohly vyvinout do současného stavu. V průzkumu se našly galaxie CEERS 2782 a CEERS 746, vzdálené 12,7, respektive 12,8 miliard světelných let. Jejich černé díry mají hmotu asi deseti milionů Sluncí a v jejich spektru odborníci nalezli stopy vodíku, kyslíku, helia a železa. Tyto černé díry existovaly v kosmu starém miliardu roků.

Později byla objevena ještě galaxie CEERS 1019 vzdálená 13,2 miliardy světelných let s černou dírou o hmotnosti devět milionů hmot Slunce. Tato černá díra tak nějakou dobu zaujímala pozici nejvzdálenější známé černé díry. Byla totiž přítomná už v kosmu starém jen něco kolem 600 milionů roků. Pro srovnání, naše černá díra Sagittarius A* má hmotnost 4,2 milionů hmot Slunce, ale na rozdíl od černé díry v CEERS 1019 měla na svůj růst přes 13 miliard let. Zjistilo se, že tato černá díra má výrazný akreční disk, z nějž poměrně rychle vybírá materiál, který požírá a tím se dále zvětšuje. V jejím spektru vidíme vodík, z pozice a výšky píku se ovšem ukazuje, že v tomto případě spíše než akreční disk vyzařují více hvězdy v galaxii.

3) UNCOVER – Ultradeep NIRSPec and NIRCam Observations Before The Epoch od Reionization

Dnešní povídání zakončíme projektem, který není mezi laickou veřejností, ve srovnání s kolaboracemi JADES a CEERS téměř vůbec známý. Přitom je to velká škoda, protože jde z mého pohledu o jeden z nejzajímavějších programů prvního pozorovacího cyklu Webbova teleskopu. Jde o projekt s názvem UNCOVER. I o něm jsme už na našem webu mluvili, ale myslím, že rozhodně stojí za podrobnější představení. Právě proto jsem se rozhodl jej do dnešního článku zařadit. O co méně je totiž známý, o to lepší jsou získané výsledky.

Nejprve k názvu. U se vztahuje ke slovu Ultradeep, což nám naznačuje, že se projekt bude dívat do extrémně vzdáleného vesmíru. N a C pak odkazují na NIRSpec a NIRCam, dva využité přístroje JWST. O a V značí Observations tedy pozorování a E a R symbolizují Epoch od Reionization, tedy éru reionizace. Reionizace je období, kdy v mladém vesmíru opět začíná objevovat slabě ionizované plazma. To do té doby neexistovalo, avšak mladé hvězdy dokázaly neutrální plyn ionizovat. Vědce projektu UNCOVER zajímal vesmír ještě před tím než k reionizaci došlo. Podobně jako CEERS či JADES tedy cílili na nejstarší okamžiky našeho kosmu.

Složení projektu

Kdo však jsou oni vědci projektu UNCOVER? Oproti kolaboracím JADES i CEERS tady vidíme hned dvě důležité změny. Za prvé nám zde chybí opravdu výrazná hvězda světové astronomie typu Stevena Finkelsteina, Sandry Faber či Allison Kirkpatrick. Za druhé měl projekt UNCOVER dva hlavní řešitele, přičemž jeden z nich není zaměstnancem americké instituce. Jeden z vedoucích kolaborace Ivo Labbe totiž pracuje jako profesor na Swinburne University of Technology, která se nachází ve druhém největším australském městě Melbourne. Druhou hlavní řešitelkou je docentka na Pittsburghské univerzitě Rachel Bezanson. Ta už v minulosti pracovala s Hubbleovým teleskopem, ale i s několika velkými pozemními dalekohledy jako je VLT v Chile.

Ani zde nás však nemůže zaskočit převaha amerických vědců. Významný podíl tu má právě Pittsburghská univerzita, díky hlavní řešitelce, jinak zde najdeme zástupce Princetonské univerzity, Yaleovy univerzity, Pensylvánské státní univerzity. Coloradské univerzity v Boulderu či Kalifornské univerzity v Los Angeles a v Santa Cruz. Ze zahraničních zemí je pochopitelně zastoupena Austrálie, díky druhému hlavnímu řešiteli. Dále zde máme vědce z Izraelské Ben Gurionovy univerzity,  či kanadských Torontské a Yorské univerzity. A pochopitelně řadu odborníků z Evropy. Konkrétně zde nalezneme astronomy ze švýcarského Zurichu a Ženevy, nizozemského Leidenu a Groningenu a britského Liverpoolu.

Kde se pozorovalo?

Zajímavé je, že dnes představené projekty se ani v jednom místě pozorování neshodovaly. Vědci z projektu UNCOVER zvolili jako nejlepší místo oblast v malém souhvězdí Sochaře na jižní obloze. Toto souhvězdí u nás vychází nad obzor jen velmi nízko ale i kdyby vycházelo, najít by ho bylo velmi obtížné. Nejjasnější hvězda má totiž čtvrtou magnitudu, takže souhvězdí patří k nejslabším na obloze. To sice může vadit amatérským astronomům, ale při sledování hlubokého vesmíru je to velmi výhodné. Tím spíše, že se zde nachází také galaktický pól. Jinými slovy, výhled do vzdálenějších končin kosmu je vynikající.

A k výběru pozorovací oblasti v rámci souhvězdí Sochaře měli specialisté z projektu UNCOVER ještě jeden velmi pádný důvod. Nachází se zde totiž mimořádně masivní kupa galaxií Abell 2744, známá jako Pandora Cluster. Jde o jednu z nejmohutnějších známých kup ve vesmíru, která vznikla dřívější srážkou nejméně čtveřice menších kup. Kupa Abell 2744 už byla v minulosti cílem Hubbleova teleskopu, takže vědci zhruba tušili co očekávat a navíc mohli své výsledky snadno porovnat s dřívějšími pozorováními. Kromě toho, takto masivní kupa slouží jako silná gravitační čočka, která ohýbá a zesiluje světlo vzdálenějších objektů. Podmínky pro průzkum vzdálených objektů tak jen sotva mohly být lepší.

Kdy se pozorovalo?

Kolaborace UNCOVER získala celkem 121 hodin pozorovacího času. To je o dost více než CEERS a výrazně méně než JADES, s jehož pokrytím se však nemůže rovnat téměř nikdo. UNCOVER měl získat data v prvním běhu teleskopu, tedy od července 2022 do června 2023. Nakonec se však pozorování uskutečnila od listopadu 2022 do srpna 2023 a to v celkem dvou oknech. První pozorování kolaborace provedla od začátku do poloviny listopadu 2022, druhé okno pak měli na přelomu července a srpna 2023. Avšak pozor, na rozdíl od CEERS a JADES, projekt UNCOVER ještě tak zcela neskončil. Jako náhrada za dvě neúspěšná pozorování získal totiž tým dvě navíc ještě 14 hodin času, které si vybere na přelomu července a srpna letošního roku.

Čím se pozorovalo?

Očekáváte-li v podstatě opakování popisů projektů CEERS a JADES, nebudete mít tak zcela pravdu. Ano, je faktem, že i projekt UNCOVER používá především přístroje NIRCam a NIRSpec pracující v blízké infračervené oblasti a to na vlnových délkách 0,6 až 5 mikrometrů. To má UNCOVER společné s mnoha dalšími projekty pracujícími s Webbovým dalekohledem. Ovšem pozor, teď přijde ta změna. Místo obvyklého doplnění této dvojice přístrojem MIRI je v tomto případě pro doprovodná paralelní pozorování zvolen přístroj NIRISS postavený kanadskou kosmickou agenturou. S ním jsme se v dnešním článku ještě nesetkali. A nemluvili jsme o něm moc často ani v našem seriálu.

Ze všech dosud zveřejněných spekter a fotek totiž NIRISS pořídil jen šest. Stojí za změřením spekter čočkovaných objektů u kupy galaxií SMACS 0723, když jasně dokázal, že dva na snímku viditelné objekty jsou ve skutečnosti jedna a ta stejná galaxie, kterou nám pouze gravitační čočka ukazuje jako vícenásobný obraz. To lze poznat podle tvaru spektra umístění spektrálních čar. Pak pořídil také několik spekter zajímavých exoplanet jako jsou WASP-39 b, WASP-96 b a K2-18 b. Ano, právě za NIRISS jde potenciální detekce biosignatury, dimethylsulfidu, nicméně z nadšení z možného objevu života nebude zřejmě nic. Ukazuje se, že šlo velmi pravděpodobně o omyl. Každopádně, je pozitivní, že se zde s přístrojem NIRISS také setkáváme.

Výsledky projektu UNCOVER

S ohledem na to, že projekt UNCOVER stále probíhá, bude v tomto případě výčet již zveřejněných výsledků poněkud kratší než u zbylých dnes probíraných projektů. Ale i tak se už podařilo napozorovat zajímavá data. Začněme zase u vzdálených galaxií. Kupa Abell 2744 jež posloužila jako gravitační čočka umožnila pozorovat dvě mimořádně daleké galaxie, které by jinak bez gravitační čočky pravděpodobně nebyly nikdy pozorovatelné. Kupa samotná je vzdálena tři a půl miliardy světelných let od Země, což je samo o sobě docela hodně. Nicméně tyto zmíněné galaxie leží ještě mnohem dále. Jedná se o galaxie UNCOVER-z13 a UNCOVER-z12. Už název nám o nich některé zásadní informace napovídá.

UNCOVER-z13 vykazuje rudý posuv 13,01, takže se vlnová délka světla vyzářeného touto galaxií za dobu letu směrem k nám vlivem rozpínání vesmíru prodloužila více než třináctinásobně. Tomuto rudému posuvu odpovídá vzdálenost 13,46 miliardy světelných roků. UNCOVER-z13 je tak čtvrtou nejvzdálenější galaxií, jejíž rudý posuv byl potvrzen přesným spektroskopickým měřením a tudíž můžeme jeho hodnotu (i vzdálenost) brát jako spolehlivě ověřené. Ve stejné oblasti byla nalezena i galaxie UNCOVER-z12 s rudým posuvem 12,39, což odpovídá vzdálenosti 13,44 miliardy světelných let. Svoji mírně vzdálenější kolegyni tak v těsném zástupu následuje jako šestá nejvzdálenější spolehlivě potvrzená galaxie.

Vědecký tým projektu UNCOVER připravil také několik katalogů určených pro astronomy k pozdějšímu použití. Obsahují objekty z pozorované oblasti, tedy souhvězdí Sochaře, respektive z jeho části nedaleko Pandora Clusteru (Abell 2744). První katalog obsahuje relativně slabé a kompaktní zdroje s vysokým rudým posuvem, zatímco druhý katalog obsahuje jasné a velké zdroje s nízkým rudým posuvem. Oba pořídili vědci pomocí přístroje NIRCam v blízké infračervené oblasti, konkrétně za pomoci filtrů F277W, F356W a F444W. To jsou všechno filtry pro kanál s dlouhou vlnovou délkou 2,4 a 5,0 mikrometrů a jsou zamýšleny k všeobecnému užití, takže nemají nějaký specificky daný účel. F277W je kanál zelený, F356W žlutý a F444W červený.

UNCOVER ale zjistil i mnohá užitečná data o kupě Pandora Cluster. Vědci využili skutečnosti, že Abell 2744 slouží jako gravitační čočka pro vzdálenější slabší objekty. V případě, kdy jde o silnou gravitační čočku, což je i tento případ je možné zjistit právě o čočkujícím objektu až překvapující množství podrobností. Využije se toho, že vidíme, jak čočka působí na vzdálenější objekty. Z počtu a rozložení obrazů můžeme určit rozložení hmoty čočkujícího objektu a to nejen hmoty viditelné, ale i hmoty uložené v plynu, popřípadě elektromagneticky zcela neviditelné, ale přítomné temné hmoty. Právě to provedli odborníci stojící za projektem UNCOVER. Jejich měření pomohou lepšímu pochopení gravitačních čoček a jejich účinnějšímu budoucímu využití.

Ani to ještě stále není všechno. Vědci týmu vydali také katalog objektů s fotometricky změřenými vzdálenostmi, dále katalog pozorovaných hvězdných populací a mapu celé oblasti, společný katalog s rádiovou observatoří ALMA, která provedla měření, jež Webbův teleskop vhodně doplnil, a nakonec též mozaiku obrázků přístrojů NIRCAM a NIRISS. ANo, NIRSpec měřil také, ale ten dělá především spektra, nikoliv působivé fotografie, proto v mozaice chybí. A s ohledem na to, že projekt ještě pokračuje, dočkáme se jistě mnoha dalších zajímavých dat. Ať už objevů vzdálených galaxií nebo lepšího modelu fungování gravitační čočky.

Závěr

Náš dnešní výjimečný díl seriálu S Webbem za hlubokým nebem je u konce. Ovšem do budoucna se k tomuto konceptu možná vrátíme. Zvláště pokud se vám bude líbit a zvláště na významná výročí si můžeme udělat někdy i další podobnou exkurzi k několika vědeckým programům JWST. Pokud byste chtěli, můžeme si takto připomenout třeba výročí startu teleskopu v prosinci. Do té doby je však ještě čas. Další díl si tak můžete užít už v srpnu a tentokrát v tradičním formátu na který jste zvyklí.

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/
• JADES: https://jades-survey.github.io/
• CEERS: https://ceers.github.io/
• UNCOVER: https://jwst-uncover.github.io/

Zdroje obrázků

• https://t2.gstatic.com/licensed-image?q=tbn:ANd9GcQqCgFnFmlyzoYIHvuLiRRUK1YwYxhyhdFUFao1Xg1-Y1YZn0ekCTt62Q1uPYJMFUWt
• https://archive.stsci.edu/files/live/sites/mast/files/home/hlsp/jades/_images/JADES_horizontal_greens_onwhite.png?t=tn2400
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Marcia_J._Rieke.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2406d.jpg
• https://jades-survey.github.io/assets/images/jadesgoodsn_may2023_all.jpg
• https://jades-survey.github.io/assets/images/jadesgoodss_may2023_all.jpg
• https://webb.nasa.gov/images/miri.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ca/JWST_Nircam1lwres.jpg
• https://www.eoportal.org/ftp/satellite-missions/j/JWST_130722/JWST_Auto27.jpeg
• https://exoplanets.nasa.gov/system/news_items/main_images/1494_Webb.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/JADES-GS-z13-0.png
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/jades4.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/JADES1.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bc/UDFj-39546284.tif/lossy-page1-1024px-UDFj-39546284.tif.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2406a.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/JADES-GS-z7-01-QU.jpg
• https://ceers.github.io/images/CEERS_white.png
• https://www.as.utexas.edu/~stevenf/images/sf_headshot.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/Fi4WJt6XoAA5nwe?format=jpg&name=large
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Hubble_Groth_strip_diagram.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/Hubble-ExtendedGrothStrip.jpg
• https://ceers.github.io/images/twoepochmaps.png
• https://ceers.github.io/images/instrumentmaps.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://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11066_1e-Maisies-Galaxy.jpg
• https://staticgeopop.akamaized.net/wp-content/uploads/sites/32/2023/11/ceers_2112.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/CEERS1.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/CEERS7.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/CEERS4.jpg
• https://jwst-uncover.github.io/images/UNCOVER_logo_black.png
• https://i1.rgstatic.net/ii/profile.image/611648419155975-1522839755770_Q512/Ivo-Labbe.jpg
• https://www.pitt.edu/sites/default/files/styles/small_article_image/public/2024-02/20211210_ao_rachel_bezanson_0041_small.jpg?h=d8076212&itok=tAQ3oujZ
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/protocluster-1.jpg
• https://jwst-uncover.github.io/images/field_layout.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/78/JWST_FGS_ETU_picture.jpg
• https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/03/Webb-Blog-MIMF-3.27.22.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/85/UNCOVER-z13_galaxy.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a1/UNCOVER_z12_and_z13.jpg/1024px-UNCOVER_z12_and_z13.jpg
• https://pixinsight.com/forum/index.php?attachments/pif_nircam_filters-jpg.20150/
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2305a.jpg
• https://drive.google.com/file/d/1dSa1iIL9RPiHh50XcT6goYS_lw696sce/view