James Webbi kosmoseteleskoobi esimesed avastusrohked aastad

2021. aasta esimesel jõulupühal said astronoomid suurepärase jõulukingituse: Maalt startis Euroopa kosmoseagentuuri kanderakett Ariane 5, mis viis kosmosesse James Webbi teleskoobi (JWST). Seda oli kaua oodatud, ent seni oli teleskoobi ülessaatmine ikka ja jälle mitmel põhjusel edasi lükkunud. Anname ülevaate, missugune see teleskoop on, milliseid vaatlusi tehakse ning mida uut loodetakse nõnda universumi saladuste kohta teada saada. Ühtlasi tõstame esile selle esimesi põnevaid avastusi.

Kaua tehtud kaunikene

Mõttest ehitada uue, järgmise põlvkonna kosmoseteleskoop kuni selle kosmosesse saatmise ja töölehakkamiseni kulus üle 30 aasta. JWST kosmoseteleskoop on ülesehituse ja väljanägemise poolest üks ilusamaid, samas on ta senistest kosmosesse paigutatud teleskoopidest kõige võimsam. Näiteks võrreldes Hubble’i teleskoobiga on JWST umbes 100 korda võimsam. Tehnoloogilises mõttes on see tänapäeva tipptase. Paljud lahendused, mida Hubble’i puhul ei osatud veel teha, on JWST-s teostatud.

JWST on kõigist astronoomilistest teleskoopidest, nii kosmoses kui ka Maa peal paiknevatest, kõige kallim. Aga nagu teada, head asjad ongi kallid. Tema maksumus jääb suurusjärku 10 miljardit USA dollarit, mis on ligikaudu 10 korda suurem kui Hubble’ile kulunud summa. Olgu märgitud, et esialgu oli JWST maksumuseks kavandatud ainult ligikaudu 500 miljonit dollarit.

10 miljardit tundub esmalt väga suure summana, ent kõigi maakera elanike vahel ära jagades tuleb iga inimese, kaasa arvatud lapsed ja imikud, kohta alla 1,5 dollari. Igaüks võib küsida, mida ta selle 1,5 dollari eest saab? Vastuse leiab artikli alapeatükist, mis selgitab teleskoobi seniseid vaatlustulemusi.

­Hubble’i kosmoseteleskoop paikneb piltlikult öeldes koduõuel (kaugus Maast umbes 570 kilomeetrit), kuid JWST asetseb Maast ligikaudu 1,5 miljoni kilomeetri kaugusel, nn Lagrange’i teises (L2) punktis. Tegelikult ei paikne teleskoop täpselt L2-s, vaid tiirleb ümber selle perioodiga umbes 6 kuud ja kiirusega 1 km/s. Seejuures varieerub teleskoobi kaugus L2-st vahemikus 250 000 kuni 832 000 km ning maksimaalne kaugus Maast on umbes 1,8 miljonit kilomeetrit. Vajaduse korral korrigeeritakse teleskoobi asukohta iga 21 päeva tagant.

Hubble'i kosmoseteleskoobi ja JWST asukohtade võrdlus kosmoses. Foto: NASA

Peaaegu 30 päeva järel jõudis JWST 24. jaanuaril 2022 oma uude koju. Pärast kõigi seadmete tööproovi ja kalibreerimist võidi sama aasta 10. juulil kergendustundega raporteerida, et teleskoop on vaatlusteks valmis. Esimene JWST-ga tehtud pilt avalikustati juba paar päeva hiljem 12. juulil.

Millest JWST koosneb?

Üldjoontes võib umbes 6,5 tonni kaaluva JWST kosmoseteleskoobi jagada neljaks põhiosaks: optiline osa, platvorm, päikesekaitse ja vaatlusaparatuur.

Foto: Horisont

Teleskoobi optika

Üks teleskoobi tähtsamaid elemente on peapeegel. JWST erineb kõigist senistest kosmoseteleskoopidest selle poolest, et tema peapeegel on mosaiikpeegel. Seda tüüpi peeglid on praegusajal kõikidel maapealsetel 10-meetristel teleskoopidel ning ka uutel ehitatavatel teleskoopidel ELT (39-meetrine) ja TNT (30-meetrine). JWST peapeegel koosneb 18 kuusnurksest segmendist. Iga segmendi diameeter on 1,32 m ja mass umbes 20 kg. Nõnda on kiirgust koguv pindala 25,4 m2. Tegelikult on segmentide kogupindala veidi suurem, 26,3 m2, kuid sekundaarpeegel varjab peapeegli pindalast 0,9 m2.

Iga segmentpeegli tagaküljel paikneb seitse aktuaatorit, mis võimaldavad veidi korrigeerida segmentpeegli ja kogu peapeegli kuju niimoodi, et see oleks võimalikult lähedane ideaalile. Segmentpeeglid on valmistatud berülliumist ja kaetud väga õhukese kullakihiga, mis peegeldab eriti hästi just infrapunases piirkonnas. Kullakiht on ligikaudu 100 nanomeetri paksune. Sekundaarpeegli diameeter on 0,74 m.

JWST peapeegli kokkupanek 2016. aasta novembris. Foto: NASA

Platvorm

Platvorm tagab teleskoobi toite elektriga. Seal paikneb kogu teleskoobi juhtimis- ja täpne positsioneerimissüsteem, samuti temperatuuri kontrollivad seadmed. Platvormile kinnituvate päikesepaneelide võimsus on 2000 W.

Päikesekaitse

Kuna JWST on mõeldud töötama infrapunapiirkonnas, peab nii vaatlusaparatuur kui ka teleskoop ise olema väga jahe: umbes 40 K (–233 ◦C). JWST teleskoobi jahutus toimib passiivselt ja selle tagab päikesekaitse, mille ülesanne on kaitsta vaatlusaparatuuri ja teleskoopi nii otsese Päikese-kiirguse kui ka Maalt ja Kuult peegelduva kiirguse eest. Viiekihiline alumiiniumkihiga kaetud polüimiidkilest ehk kaptonist valmistatud päikesekaitse on rombikujuline ja mõõtmed umbes 21 × 14 m.

Vaatlusaparatuur

JWST vaatlusaparatuur koosneb neljast instrumendist, mis on koondatud peapeegli taga paiknevasse nn integreeritud teadusinstrumendi moodulisse (Integrated Science Instrument Module, ISIM). Selles moodulis on veel peengideerimise sensor (Fine Guidance Sensor), andmetöötlusarvuti ning mitmesugused elektronseadmed, millega saab juhtida ja kontrollida instrumente ja detektoreid.

Instrumentide lühikirjeldus ja otstarve

1. Keskmine infrapunainstrument (Mid Infrared Instrument, MIRI)

Selle Euroopa ja USA koostöös valminud seadmega saab vaadelda peaaegu kõiki huvipakkuvaid objekte: tähti, galaktikaid, eksoplaneete ja ka meie Päikesesüsteemi planeete. MIRI võimaldab pildistada ja teha spektroskoopilisi vaatlusi infrapunases piirkonnas vahemikus 4,9 kuni 28,1 µm. MIRI eripära on see, et ta vajab töötamiseks väga madalat temperatuuri: umbes 7 K (–266 ◦C).

2. Lähedane infrapunakaamera (Near Infrared Camera, NIRCam)

USA-s Arizona ülikoolis valmistatud NIRCam töötab lähedases infrapunapiirkonnas vahemikus 0,6 kuni 5,0 µm. See on üks teleskoobi põhikaameraid, mis võimaldab saada eriti selgeid ja teravaid pilte esimestest tähtedest ja galaktikatest. NIRCam on suuteline töötama samal ajal kahes infrapunapiirkonnas. Ühtlasi suudab ta teha spektroskoopia- ja koronograafiauuringuid, näiteks üksikasjalikumalt selgitada välja eksoplaneetide omadusi.

3. Lähedane infrapunapildistaja ja piluvaba spektrograaf (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS)

Kanada kosmoseagentuuris (CSA) valminud NIRISS-i tööpiirkond on samuti 0,6 kuni 5,0 µm ja see võimaldab töötada kolmes vaatlusrežiimis. Spektroskoopiarežiim võimaldab määrata eksoplaneetide karakteristikuid, näiteks peaks saama kindlaks teha eksoplaneetide atmosfääride koostist.

4. Lähedane infrapunaspektrograaf (Near Infrared Spectrograph, NIRSpec)

Euroopa kosmoseagentuuris (ESA) valmistatud seadme otstarve on spektroskoopiliselt vaadelda tähti ja kaugeid galaktikaid. Tööpiirkond enam-vähem sama nagu kahel eelmisel: 0,6 kuni 5,3 µm. NIRSpec võimaldab spektroskoopilisi vaatlusi teha nii väikese, keskmise kui ka suure lahutusega. Valida saab nelja režiimi vahel. See on esimene kosmoses töötav spektrograaf, mille abil saab korraga koostada spektreid kuni 200 objektilt. Seda lubab tema suur vaateväli: 3,6 x 3,4 kaareminutit. Samas on temaga võimalik koostada ka ainult ühe objekti spektreid.

Mida uut loodetakse vaatlustega teada saada?

Lühidalt öeldes on JWST vaatlusprogrammid seinast-seina, hõlmates peaaegu kõiki nüüdisastronoomia aktuaalseid küsimusi. Üks vaatluste põhieesmärk on saada infot universumi noorpõlve kohta. Arvestades, et JWST on kavandatud vaatlema põhiliselt infrapunases piirkonnas (kuni 28,5 µm), peaks temaga saama vaadelda 13,5 miljardi aasta tagusesse aega. See on ainult ligikaudu 200–300 miljonit aastat pärast Suurt Pauku.

Vaatlusandmed nii varajase universumi kohta peaksid andma meile aimu, mismoodi tekkisid esimesed tähed ja planeedid ning kuidas kujunesid galaktikad.

JWST vaatluste põhjal saame tunduvalt parema ettekujutuse sellest, mil moel ja miks moodustuvad gaasi- ja tolmupilvedest tähed. Teisalt saame uusi teadmisi ka tähtede elu lõppfaaside, eriti massiivsete tähtede kohta, mis plahvatavad supernoovadena. Supernoovaplahvatused on ühed kõige energeetilisemad sündmused universumis. Loodetavasti aitab JWST mõnevõrra kergitada saladuskatet ka mõistatusliku tumeaine ja tumeenergia olemuselt.

Veel mõnikümmend aastat tagasi olid meile teada ainult Päikesesüsteemi planeedid. Nüüdseks on tehtud kindlaks tuhandeid planeete (nn eksoplaneete) ka teiste tähtede ümber ja nende hulk suureneb pidevalt. Üks JWST oluline ülesanne on vaadelda ja põhjalikult uurida eksoplaneete. Inimkonda on läbi aegade huvitanud, kas meie Maa ja siinsed elusorganismid on universumis ainulaadsed või leidub midagi samasugust ka kusagil mujal. JWST vaatlused võivad aidata välja selgitada palju uut ja huvitavat. JWST vaatlustega saab detailsemalt uurida eksoplaneetide atmosfääre ja teha kindlaks, kas nendes leidub näiteks metaani, veeauru, hapnikku, mõningaid orgaanilisi molekule ja muid märke, mida seostatakse elutegevusega. Samuti saame avastada uusi eksoplaneete.

Ent ka meie Päikesesüsteemis pole kõik veel kaugeltki selge. JWST peaks andma meie planeetide kohta mitmesuguseid uusi teadmisi.

Milline on JWST seisukord?

Ka kõrgtehnoloogilistel seadmetel, isegi teleskoopidel, võib ette tulla probleeme, töötõrkeid. Kosmoseteleskoopide toimimist ja seisukorda võivad mõjutada kas välised või sisemised tegurid. Välisteguritest kujutavad kõige suuremat ohtu mikrometeoroidide tabamused teleskoobi, eriti selle peegli pihta.

Nagu teada, ei ole kosmos paraku kaugeltki turvaline koht. Tihti kujutame ette, et kosmos on enam-vähem tühi, kuid tegelikult leidub seal peale tähtede, planeetide ja muude suuremate taevakehade väga palju väikesi osakesi. Kui need põrkavad kokku kosmosesse saadetud satelliitidega või teleskoopidega, võivad tagajärjeks olla üsna rängad kahjustused. Ühed säärased osakesed on mikrometeoroidid.

Mikrometeoroidid on üliväikesed kivi- või metalliosad. Nende läbimõõt on liivaterast väiksem ja mass alla grammi. Kuidas saavad nii tillukesed osad tekitada suuri kahjustusi? Vastus peitub mikrometeoroidide liikumiskiiruses. Keskmiselt liiguvad nad kiirusega 10 km/s, kuid mõnikord võib kiirus olla isegi mitu korda suurem. Seejuures on löögitugevus määratud osakese massi ja kiirusega: mida suurem on mass ja kiirus, seda suurem on ka löögitugevus.

Võimalikke kokkupõrkeid mikrometeoroididega nähti ette juba enne JWST ülessaatmist. Keskmiselt iga paari nädala tagant on fikseeritud mõne mikrometeoroidi tabamus teleskoobi peegli pihta. Üldiselt ei ole need vaatlustulemusi eriti mõjutanud. Koostatud on mõni arvutiprogramm, mis püüab nende löökide mõjusid vähendada. Juhul kui peegli pihta peaks tulema tugevam löök, ei ole sellega kaasnevat kahjustust võimalik parandada. Nii juhtus juba enne seda, kui teleskoop oli jõudnud alustada vaatlusi. Nimelt tabas 2022. aasta 23.–25. mail ühte peapeegli segmenti mikrometeoroid, mis jättis sinna märgatava jälje. Teleskoobi üldist tööd see siiski oluliselt ei kahjustanud. Hubble’i teleskoobi peegel paikneb toru sees ja on mikrometeoroidide löökide eest üsna hästi kaitstud, kuid JWST peegel on lahtine ja kaitsetu.

Vasakul on James Webbi kosmoseteleskoobi peapeeglist Maal tehtud interferomeetriline pilt. Paremal on 2022. aasta 21. juunil NIRCami kaameraga tehtud pilt, millel on peapeegli alumises osas suurema heleda laiguna näha mikrometeoroidi tabamusest jäänud kahjustuse jälg. Foto: NASA / STScI

JWST vaatlusinstrumentide töös on tulnud ette mõningaid häireid, ent õnneks pole juhtunud midagi fataalset. Loodetavasti ei juhtu teleskoobiga midagi hullu ka edaspidi. Esialgse plaani järgi pidi JWST töötama vähemalt viis aastat. Kui teleskoop oli edukalt kosmosesse saadetud ja teinud esimesed vaatlused, pikendati seda 10 aasta peale. Nüüd, kui teleskoop on kosmoses olnud kolm aastat ja teinud vaatlusi kaks ja pool aastat, prognoositakse optimistlikult, et saame JWST teenuseid kasutada kuni 20 aastat. Tasub märkida, et ka Hubble’i kosmoseteleskoop, mis on töötanud üle 34 aasta, on kavandatud tööea kõvasti ületanud.

JWST vaatlustulemustest

Mida uut on JWST suutnud paari esimese vaatlusaastaga pakkuda? Iga uue vaatlusega oleme saanud juurde huvitavaid tulemusi ja avastusi. Mõned näited nende kohta.

JWST-ga eri objektidest tehtud piltide teravus ja selgus ületab igati kõiki varasemaid teleskoopidega tehtud jäädvustusi. Eespool esitasime küsimuse, mida iga Maa elanik saab JWST-sse panustatud 1,5 dollari eest. Nüüd võime öelda, et need, keda teadustulemused eriti ei huvita, võivad tänu JWST-le nautida universumi kui tõeliselt suurepärase kunstniku teoseid enneolematu selgusega piltidena.

Maast umbes 6500-7000 valgusaasta kaugusel Mao tähtkujus asuvad nn Loomise Sambad pildistatuna Hubble’i teleskoobiga (vasakul) ja James Webbi teleskoobiga (paremal). Tundlikuma silmaga Webb on suutnud selles tähetekkepiirkonnas paremini läbi tolmu näha, paljastades paksudes tolmusammastes palju rohkem sünnijärgus punaseid tähti. Foto: NASA, ESA, CSA, STSCI, JOSEPH DEPASQUALE, ANTON M. KOEMOER, ALYSSA PAGAN

Nagu mainitud, avalikustati esimene JWST ülesvõte 2022. aasta 12. juulil. Vaatlusi hakati õigupoolest tegema märksa varem. Need vaatlused kuulusid nn direktori valikusse esmases teadusprogrammis (Director‘s Discretionary Early Release Science programme, DD-ERS). Nende vaatluste valik – kuues valdkonnas ühtekokku kolmteist – oli tehtud 2017. aasta novembris. Vaatlusprogrammid oli plaanis teoks teha esimese viie kuu jooksul alates teleskoobi töölehakkamisest. Kuna objektid ja vaatlusinstrumendid on erinevad, saadakse hea ülevaade teleskoobi suutlikkusest ja võimalustest. Samuti võimaldavad esialgsed katsevaatlused kontrollida instrumentide kalibratsioone ja andmeid töötlevate programmide tööd, mistõttu ei pruugi esialgsed vaatlustulemused ja tõlgendused olla väga täpsed.

Väga meeldiva üllatusena oli JWST esimesi vaatlusi üks Wolfi-Rayet’ kaksiktäht (WR140). Seda tähte on Tõraveres 1,5 m teleskoobiga spektroskoopiliselt vaadeldud mitukümmend aastat. JWST vaatlusinstrumendiga MIRI jälgiti WR140 kahel korral: esmalt 8. juulil 2022 ja hiljem 27. juulil. WR140 on kaksiktähesüsteem, millel on väga ektsentriline orbiit ja periood 7,9 aastat. Iga 7,9 aasta tagant moodustub süsteemi ümber paks tolmuümbris. JWST vaatluste põhiavastus seisneb selles, et süsteemi ümber on selgelt näha vähemalt 17 kontsentrilist ringi, mida ei olnud võimalik varem kindlaks teha.

Uued teadmised eksoplaneetide kohta

Üks nüüdisastronoomia aktuaalsemaid uurimissuundi on eksoplaneetide avastamine ja uurimine, mis on ka JWST programmis tähtsal kohal.

Augustis 2022 suutis JWST esimest korda näha eksoplaneeti ühe ematähe juures. See oli eksoplaneet, mis on kataloogi kantud kui HIP 65426 b. Maast jääb see umbes 385 valgusaasta kaugusele; tema massiks on hinnatud ligikaudu seitse Jupiteri massi. JWST tegi esimest korda kindlaks süsinikdioksiidi (CO2) olemasolu eksoplaneedi WASP-39 atmosfääris. Kõnealuse eksoplaneedi mass on neli korda väiksem kui Jupiteri oma, kuid läbimõõdu poolest on ta 1,3 korda suurem.

Üks viimase aja põnevamaid eksoplaneedisüsteeme kannab nime TRAPPIST-1. TRAPPIST (Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope) tähistab kahte maapealset teleskoopi, mille ülesanne on avastada eksoplaneete varjutuste meetodil. Üks teleskoop paikneb ESO La Silla lõunabaasis (TRAPPIST-South) ja teine Marokos (TRAPPIST-North). TRAPPIST-1 oli esimene eksoplaneedisüsteem, mille TRAPPIST avastas 2016. aastal. See süsteem on huvitav selle poolest, et ümber ematähe tiirleb seitse planeeti, mis on suuruselt võrreldavad meie Maaga. Kolm planeeti tähistustega e, f ja g asuvad nn elamiskõlblikus tsoonis, kus ei ole liiga kuum ega külm, et vesi võiks olla vedelas olekus.

Meile üsnagi lähedal ehk vaid 40 valgusaasta kaugusel Veevalaja tähtkujus asetseva TRAPPIST-1 ematäht on punane kääbus, mille läbimõõt on umbes 12% Päikese läbimõõdust ning mass 9% Päikese massist. TRAPPIST-1 uurimise tähtsust näitab kas või seegi, et JWST vaatluste esimeses etapis oli heaks kiidetud tervelt kolm taotlust ja teises tsüklis veel üks.

Astronoomide rühm, mida juhtis Olivia Lim Montreali ülikoolist, oli oma uurimuses keskendunud ematähe kõige lähemale planeedile: TRAPPIST-1 b. Eesmärk oli kindlaks teha, kas planeedil on mingisugune atmosfäär. Vaatlusteks kasutati JWST instrumenti NIRISS (lähedane infrapunapildistaja ja piluvaba spektrograaf), mis ongi kohane selleks, et teha kindlaks ja uurida eksoplaneetide atmosfääri. Vaatlusi tehti kahel päeval (18. ja 20. juulil 2022), nad olid ajastatud nn sekundaarvarjutuste ajale (hetk, kui uuritav planeet läheb ematähe taha). Kummalgi päeval kestis vaatlus 4,44 tundi ja varjutus 36,06 minutit. Saadud spektreid võrreldi mitme atmosfäärimudeliga ega leitud viiteid TRAPPIST-1 b ulatusliku atmosfääri kohta. Ent väga õhuke atmosfäär võib planeedil siiski olla.

Teine uurimisrühm, mida juhtis Laura Kreidberg Heidelbergi Max Plancki astronoomiainstituudist, vaatles järgmist planeeti TRAPPIST-1 c. Kõigi eelduste järgi võiks see planeet olla üsna sarnane meie Päikesesüsteemi Veenusega. Rakendati MIRI pildistamisrežiimi lainepikkusel 15 µm, vaatlusi tehti neljal kuupäeval: 27. ja 30. oktoobril ning 6. ja 30. novembril 2022 ning samuti sekundaarvarjutuste ajal. Iga vaatlus kestis umbes 192 minutit, sealhulgas oli 42 minutit varjutust. Ilmnes, et ka TRAPPIST-1 c on kas ilma atmosfäärita või leidub tal väga õhuke CO2-st atmosfäär.

Lähiajal loodetakse teha lisavaatlusi. TRAPPIST-1 pakub eksoplaneetide uurijatele suurt huvi, kuid kavatsetakse vaadelda ka teisi selle süsteemi planeete.

Niisiis, ümber TRAPPIST-1 tiirlevatel planeetidel ei ole veel atmosfääri leitud, ent mitme märksa massiivsema ja kuumema tähe planeetide kohta on siiski õnnestunud teha kindlaks, et neil on atmosfäär olemas. Üks selliseid on WASP-96 b, Jupiterist umbes kaks korda väiksema massiga, kuid 1,2 korda suurema läbimõõduga planeet. Mitu uurimisrühma tegi vaatlusi 2022. aasta juunis ja juulis, kasutades kolme teleskoobi instrumenti (NIRISS, NIRCam ja NIRSpec). Need olid samuti ühed esimesed JWST eksoplaneetide vaatlused. Vaatlusandmete analüüsi järgi sisaldab WASP-96 b atmosfäär keemilisi elemente ja ühendeid: vääveldioksiidi (SO2), süsinikdioksiidi (CO2), kaaliumi (K) ja veeauru (H2O). Süsinikdioksiidi ja metaani on leitud näiteks eksoplaneedi K2-18 b atmosfäärist.

Alatasa lisandub eksoplaneetide kohta avastusi. Üks näide on eksoplaneet VHS 1256 b, mis on Jupiterist üle 10 korra suurem (nn super-Jupiter). JWST vaatlused instrumentidega MIRI ja NIRSpec on teinud kindlaks, et planeedi VHS 1256 b atmosfääris leidub süsinikmonooksiidi (CO) ja metaani ning atmosfääris möllavad võimsad tolmutormid, mida varem ei olnud veel ühelgi eksoplaneedil märgatud.

Eksoplaneedi VHS 1256 b kujutis, mille kunstnik on loonud James Webbi kosmoseteleskoobiga (JWST) koostatud spektri alusel. Kahe ematähe ümber tiirleva ning Jupiterist üle 10 korra suurema planeedi atmosfääris möllavad JWST vaatlusandete järgi võimsad tolmutormid. Foto: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Teine huvitav näide on eksoplaneet WASP-18 b. See meist ligemale 400 valgusaasta kaugusel paiknev planeet on samuti super-Jupiter (mass umbkaudu 10 Jupiteri massi). Oma ematähest asub ta aga ainult 3,1 miljoni kilomeetri kaugusel. Võrdluseks: meie Päikesesüsteemi Päikesele lähima planeedi Merkuuri kaugus on 63,4 miljonit kilomeetrit. Läheduse tõttu on WASP-18 b nii-öelda lukustatud olekus: üks planeedi külg on alati ematähe poole pööratud. Asendi tõttu on planeedi tingimused üsnagi äärmuslikud. JWST vaatluste põhjal on tehtud kindlaks, et ematähe poole pööratud küljel ulatub temperatuur 2700 ◦C-ni, ent teine külg on 1100 kraadi võrra jahedam. Hoolimata niivõrd ekstreemsetest oludest kinnitavad Webbi vaatlused, et WASP-18 b atmosfääris leidub veeauru.

Galaktikad pakuvad üllatusi

Niipea kui JWST oli vaatlusteks valmis, tehti lähiinfrapunakaameraga NIRCam üks esimesi nn süvaväljapilte galaktikaparvest SMACS 0723. Selleks kulus 12,5 tundi. Tulemus avaldas nii suurt muljet, et pilti demonstreeriti 11. juulil 2022 Valges Majas president Joe Bidenile ning järgmisel päeval ka üldsusele.

Kui üks Hubble’i kosmoseteleskoobi intrigeerivamaid pilte on süvaväljaülesvõte, mille peale kulus teleskoobil üle 11 päeva, siis JWST sai hakkama ainult 20 tunniga. Vaatlus tehti 11. oktoobril 2022 lähiinfrapunakaamera NIRCam viie filtriga lainepikkuste vahemikus 2–5 µm.

Webbi kosmoseteleskoobi esimene süvataevapilt galaktikaparvest SMACS 0723, mis asub meist umbes nelja miljardi valgusaasta kaugusel Lendkala tähtkujus. Galaktikaparve mass toimib gravitatsiooniläätsena, suurendades selle taha jäävaid kaugemaid galaktikaid, täheparvesid ja muid hajusaid objekte, mida polnud kunagi varem nähtud. Foto: NASA, ESA, CSA, STScI

Üks Webbi teleskoobi tähtsaim ülesanne on saada infot kaugete galaktikate ja varajase universumi kohta. Paraku on vaatlustulemused astronoomidele päris palju peavalu tekitanud. Mõne galaktika korral ilmnevad eriti suured punanihked, mis viitavad sellele, et need on moodustunud universumi väga varajases nooruses. 2023. aasta aprillis ajakirjas Nature avaldatud artikli järgi on JWST-ga avastatud kuus galaktikat kujunenud ligikaudu 600 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Selles ajamäärangus pole midagi erilist, kuid asja teeb eriti huvitavaks väide, et nende galaktikate mass on kuni 100 korda suurem, kui praeguste kosmoloogiliste teooriate põhjal arvatud.

Nende massiks on hinnatud kuni 1011 Päikese massi. Iseenesest pole ka niisuguses massis midagi erilist, ent küsimusi tekitab asjaolu, kuidas saavad nii noored galaktikad olla sedavõrd massiivsed. Seniste arusaamade järgi peaks nii massiivsete galaktikate moodustumiseks kuluma palju rohkem aega. Kui nende kuue galaktika vanuse ja massi määrangud on õiged, on vastuolu kõrvaldamiseks oletatud, et universum võib olla seni hinnatust ehk 13,8 miljardist aastast märksa vanem või siis on galaktikate kujunemisel olnud mängus meile seni tundmatud tegurid.

Nüüdseks on selgunud, et need kuus galaktikat ei pruugi olla erandlikud. Alles hiljuti, 13. novembril 2024 ajakirjas Nature ilmunud uurimuse järgi on avastatud kolm ülimassiivset galaktikat, mis on moodustunud juba universumi varases nooruses: esimese miljardi aasta jooksul. See avastus viitab tõsiasjale, et tähed on varases universumis tekkinud palju kiiremini, kui näitavad senised galaktikate moodustumise mudelid.

Kolm Webbi kosmoseteleskoobiga avastatud punast ülimassiivset nn koletisgalaktikat. Foto: NASA / ESA / CSA / M. XIAO & P. A. OESCH, UNIVERSITY OG GENEVA / G. BRAMMER, NIELS BOHR INSTITUTE / DAWN JWST ARCHIVE

Webbi teleskoop on suutnud kindlaks teha mitu väga kauget galaktikat. Praegune rekordiomanik on galaktika JADES-GS-z14-0, mille punanihe on 14,32. Nii suur punanihe viitab sellele, et galaktika tekkis vähem kui 300 miljonit aastat pärast Suurt Pauku.

Leiud Päikesesüsteemis

Esmapilgul võib tunduda, et niivõrd võimsa teleskoobiga pole mõtet kulutada aega meie Päikesesüsteemi planeetidele. Ent esmased vaatlused on andnud väga palju uut infot. Näiteks Jupiteri atmosfääris on avastatud kiire reaktiivjuga, mis paikneb pealmiste pilvekihtide kohal ja mille ulatus on kuni 4800 kilomeetrit. Vaatlus tehti 27. juulil 2022, kasutades lähiinfrapunakaamera NIRCam viit filtrit. Reaktiivjoa kiiruseks on hinnatud umbes 515 kilomeetrit tunnis; ta paikneb ekvaatori kohal ligikaudu 40 kilomeetri kõrgusel pilvekihi peal.

Jupiteri kuu Europa on teadaolevalt kaetud soolase ookeaniga, mille peal asetseb paks jääkiht. 2022. aasta novembris Webbi NIRCamiga tehtud piltide põhjal leiti, et Europa jäisel pinnal leidub süsinikdioksiidi (CO2). Mõningaid märke CO2 olemasolust oli ka varem, kuid päritolu oli ebaselge. Võimalusi oli mitu. Näiteks võis süsinikdioksiid Europale sattuda mõne meteoriidi tabamusega või tekkida jääkihi all olevast ookeanist. Webbi vaatlustulemused näitasid, et suure tõenäosusega on CO2 tekkinud ookeanis, ja kui nii, siis võib edaspidi Europa ookeanist otsida mõningaid elu jälgi.

Ka Päikesesüsteemi suuruselt teisest planeedist Saturnist tehtud JWST pilt on tekitanud parajalt imestust. Vaatlus tehti 25. juunil 2023 ja kaameraga NIRCam. Kuna vaadeldi infrapunases piirkonnas, paistab Saturn ebatavaliselt tumedana, sest atmosfääris olev metaan neelab enamiku atmosfääri langevast päikesekiirgusest. Samas paistavad jäised rõngad suhteliselt heledana.

Illustratsioonil oleva pildi Saturni kuust Enceladusest on teinud automaatjaam Cassini. Selle all on Webbi pilt, millel on sinisena näha Enceladuse ookeanist jääkooriku alt välja paiskuv hiiglaslik veeaurujuga. Foto: NASA, ESA, CSA, STSCI, GERONIMO VILLANUEVA (NASA-GSFC)

Teine vaatlusprogramm keskendus Saturni kuule Enceladusele. 9. novembril 2022 Webbi NIRSpeci instrumendiga saadud spektrite põhjal õnnestus kindlaks teha, et Enceladuse jääkooriku all olevast ookeanist paiskuvad välja tugevad veeaurujoad, mis ulatuvad kuni 9650 km kaugusele. Geisrite olemasolu Enceladusel oli juba varem teada aastatel 2004–2017 ümber Saturni tiirelnud automaatjaama Cassini vaatluste põhjal. Kuna Enceladus teeb tiiru ümber Saturni väga kiiresti ehk umbes 33 tunniga, ilmnes Webbi vaatlustest, et veeaurujoad tekitavad ümber Saturni sõõriku.

Päikesesüsteemi planeetidest võib huvitava näitena esile tõsta Uraani rõngastest tehtud ülesvõtte. Pilt on saadud 6. veebruaril 2023 lähiinfrapunakaameraga NIRCam. Varem polnud nii selget rõngaste struktuuri nähtud.

Webbi ülesvõte Uraanist ja seda ümbritsevatest rõngastest. Rõngaste ümber on siniste täppidena ka Uraani üheksat kuud (kokku neid Uraanil 27). Foto: NASA, ESA, CSA, STScI

JWST suutlikkus ületab igati kõikide seniste maapealsete ja kosmoseteleskoopide oma ning on tõstnud astronoomia kõrgemale tasemele. Lähemas tulevikus saame tema abil kahtlemata palju targemaks universumi asjus.

JWST-ga tehtud uuringute teaduslikku väärtust iseloomustab väga ilmekalt fakt, et suur osa selle töö tulemusel koostanud teadusartikleid on avaldatud ühes maailma kõige prestiižikamas teadusajakirjas Nature.

Kui nüüd lõpetuseks küsida, kas tohutud kulutused ja kümnete tuhandete inseneride ning teadlaste paarikümneaastane tegevus on end õigustanud, siis on vastus ühene: JAH.

Kalju Annuk (1956) on astrofüüsik, Tartu ülikooli Tartu observatooriumi vaneminsener. Tema uurimisvaldkond on mittestatsionaarsete tähtede spektroskoopia.

Artikkel ilmus ajakirja Horisont jaanuar-veebruar numbris.