Az elképzelhetetlenül rövid pillanat
A megfigyelési tényekkel is sokoldalúan alátámasztott tudományos konszenzus szerint a világegyetem 13,75 milliárd évvel ezelőtt keletkezett egy ősrobbanásnak nevezett folyamat során, azóta pedig folyamatosan tágul. Az ősrobbanás után elképzelhetetlenül rövid idővel elképzelhetetlenül rövid ideig (10–44 másodperctől 10–42 másodpercig) szintén elképzelhetetlen ütemben (ez a felfúvódás vagy infláció szakasza), majd utána kissé „megnyugodva”, az utóbbi néhány milliárd évben a sötét energiának köszönhetően pedig újra gyorsulva. Természetes emberi kíváncsiságunkból fakad, hogy szeretnénk az univerzum fejlődési folyamatának minél korábbi nyomait megpillantani, az elektromágneses hullámok (tágabb értelemben az információ) terjedésének véges sebessége miatt azonban ehhez nagyon messze kell tekintenünk: a megfigyelhető univerzum legfiatalabb objektumai egyben az általunk egyáltalán detektálható legtávolabbiak is. A világegyetem általános tágulása az objektumok színképében a spektrumvonalak kozmológiai vöröseltolódásában (dimenzió nélküli szám, jele z) mutatkozik meg.
Távolságmérés
A kozmológiában többféle távolságdefiníciót használnak, kissé leegyszerűsítve azonban azt mondhatjuk, hogy a vöröseltolódás és a távolság között – lokálisan egyszerűbb, nagy távolságokon valamivel bonyolultabb – összefüggés van, így a vöröseltolódás értékét gyakran használjuk a távolság mérőszámaként is. A z = 0,1 vöröseltolódású objektumok távolsága nagyjából 1,3 milliárd fényév, és a róluk hírt adó sugárzásnak is kb. 1,3 milliárd év kellett, hogy hozzánk érjen. Ennél nagyobb vöröseltolódásoknál azonban a tágulás miatt az objektumok már messzebb vannak, mint a fényük hozzánk érkezéséhez szükséges időből számolható távolság, az ún. fényút. z = 10-nél ez utóbbi 13,2 milliárd év körüli, a távolság viszont már nagyjából 26,6 milliárd fényév. A z > 4 paraméterű, azaz a 12,1 milliárd évnél idősebb objektumok esetében az elektromágneses színkép emberi szem által is érzékelhető, optikai tartománya már teljes egészében a közepes és az azon túli infravörös hullámhosszakra, a Webb-űrtávcső műszereinek érzékenységi tartományába tolódik.
A Webb legelső nyilvános képeinek egyike egy mélyűrfelvétel (deep field image) az égbolt mindössze akkora területéről, amelyet egy kartávolságban tartott homokszem is elfedne a szemünk elől. A SMACS 0723 katalógusjelű galaxishalmazról készült képen galaxisok ezrei figyelhetők meg az infravörös tartományban. A felvétel abban az állapotban mutatja a halmaztagokat, amelyben azok 4,6 milliárd évvel ezelőtt, azaz a Nap és a Naprendszer kialakulásának idején voltak. A képen ennél távolabbi galaxisok is láthatók, némelyikük 13,1 milliárd évvel ezelőtti állapotában, azaz az univerzum születése után mindössze hatszázmillió évvel.
Galaxis az ősrobbanás után 280 millió évvel
Az eddig ismert legtávolabbi galaxist természetesen a Hubble-űrtávcső azonosította, amely az ősrobbanás után 400 millió évnek megfelelő fejlődési állapotában detektálta az objektumot. A kutatók már a James Webb első felvételein elkezdték keresni azokat a jelölteket, amelyek megdönthetik ezt a rekordot. A z > 13 vöröseltolódású objektumokat célzó GLASS-felmérésben találtak is ilyet, rögtön kettőt is, mégpedig egymáshoz nagyon közel. Ezek a galaxisok az ősrobbanás után 300 millió évvel már léteztek. Néhány nappal később azonban ez a rekord is megdőlt, a CEERS-felmérésben az ősrobbanás után 280 millió évvel már létező galaxist is találtak (z = 14), amelyet a felmérés vezető kutatója a lánya után Maisie galaxisának nevezett el. A Webb-űrtávcső első mélyűrfelvételét elemezve azonban z = 16 értéknél (az ősrobbanás után 250 millió év) is azonosítottak két galaxist, de az előzetes, még nem minden részletükben ellenőrzött tanulmányok alapján nem elképzelhetetlen a z = 20 (180 millió év) paraméterű galaxisok detektálása sem.
Az anyag gyors szerveződése
A James Webb első felvételei alapján azt is kimutatták, hogy az anyag nagyon gyorsan, az ősrobbanás után mindössze 250 millió évvel elkezdett galaxisokba szerveződni, azokban pedig már ekkor beindult az univerzum első csillagainak keletkezése. Az is kiderült, hogy a nagyon távoli galaxisok szerkezete jóval összetettebb, mint azt korábban gondolták. A Hubble eredményei még azt mutatták, hogy a távoli galaxisok nagyobb arányban irregulárisak, mint a közeliek. Az elmélet szerint a korai galaxisokat gyakran eltorzították a szomszédjaik, a Webb-űrtávcső első észlelései azonban cáfolni látszanak ezt a feltételezést, ugyanis a várakozásokhoz képest jóval nagyobb arányban detektált korong alakú, azaz szerkezettel bíró távoli galaxisokat.
A jelenleg elfogadott fejlődési elméletek szerint a kezdetben kicsiny galaxisok csak lassan, fokozatosan növekedve érték el mai méretüket, és lettek akkorák, mint a Tejútrendszer vagy az Androméda-köd. Néhány héttel ezelőtt azonban hat olyan galaxisjelöltet azonosítottak a Webb mérései alapján, amelyek mérete, tömege már az ősrobbanás után alig félmilliárd évvel elérte saját galaxisunk mai méretét. A kozmológia mai álláspontja szerint a galaxisok keletkezését a sötét anyag csomósodásai indították be, amelyek magukhoz vonzották az ősrobbanásban keletkezett hidrogént és héliumot, a sűrűsödési gócpontokban beindult a csillagkeletkezés, az új csillagokból pedig kezdetben kicsiny galaxisok álltak össze, amelyek aztán összeolvadások révén fokozatosan növekedtek. Bár az egyik jelöltről közben kiderült, hogy nem közönséges galaxis, hanem kvazár, azaz egy fiatal galaxis centrumában elhelyezkedő szupernagy tömegű fekete lyuk, ha bebizonyosodik, hogy a többi öt jelölt valóban galaxis, az arra utalhat, hogy különleges körülmények között az összesűrűsödő ősi gázanyag szinte teljes egészében csillagokká alakulhatott. További színképi vizsgálatok szükségesek annak eldöntéséhez, hogy ténylegesen mekkora a távolságuk, és valóban csillagok alkotják-e ezeket az objektumokat, de úgy tűnik, viharfelhők gyülekeznek a galaxiskeletkezési elméletek horizontján.
Egyetlen galaxissá vagy galaxishalmazzá
Van azonban jó hír is az elméleteinkkel kapcsolatban. A CGG-z5 jelzésű, kisebb galaxisokból álló csoportot szintén a CEERS-felmérés keretében találták. A csoport legfényesebb tagját korábban már a Hubble is azonosította, a halványabb kísérők detektálásához azonban szükség volt a Webbre és a műszereinek érzékenységére. Mint az a nevéből is kiolvasható, a csoport z = 5 vöröseltolódásnál helyezkedik el, ami alapján az ősrobbanás utáni nagyjából 1,1 milliárd éves állapotában láthatjuk. Az elképzelés szerint a csoporttagok mára talán egyetlen galaxissá olvadtak össze – alátámasztva így a vonatkozó elméleteket is –, de előfordulhat az is, hogy egy nagyobb galaxishalmaz lett belőlük, sőt az sem elképzelhetetlen, hogy csak véletlenül ugyanabban az irányban látszó, ám egymástól távoli objektumokról van szó. A számítógépes szimulációk az összeolvadást valószínűsítik, de ebben az esetben is további vizsgálatok szükségesek a lehetséges forgatókönyvek közötti döntéshez.
Természet adta trükk
Bár a James Webb-űrtávcső képességei kiemelkedőek, sok távoli objektum detektálása csak további „trükkök” felhasználásával lehetséges. A természet által felkínált egyik segítség a gravitációslencse-hatás, ami azt jelenti, hogy távolabbi objektumok fénye hozzánk közelebbi objektumok gravitációs terében eltérül, miközben fényintenzitás-növekedést és a lencsék által nyújtott nagyításhoz hasonló hatást is tapasztalhatunk. Ezek együttese olyan távoli objektumokat is láthatóvá tesz, amelyeket a távcső saját erejéből nem lenne képes megmutatni.
A gravitációslencse-hatás segítségével készíthetett képet már a Hubble is a legtávolabbi ismert csillagról, és így ismételhette meg ezt a felvételt a Webb is. A felfedezés bejelentése alig egy éve történt: a Tolkien által alkotott figuráról elnevezett Earendelt z = 6,8 vöröseltolódásnál detektálta a Hubble, azaz a csillag általunk érzékelt fénye a világegyetem alig egymilliárd éves korában indult útnak. A James Webb valószínűleg még távolabbi egyedi csillagokat is detektál majd, de addig is megvizsgálták vele az Earendelt. Megállapították, hogy az 4000 csillagászati egységnél kisebb kiterjedésű (1 csillagászati egység a Nap és a Föld átlagos távolsága), azaz minden bizonnyal egyetlen forró, fényes, kék óriáscsillag, esetleg ugyanilyen tulajdonságú csillagokból álló kettős vagy többes rendszer.
A zöldborsógalaxisok
Szintén a gravitációslencse-hatás tette lehetővé az úgynevezett zöldborsógalaxisok azonosítását az univerzum hajnalán. Ezek azért érdekesek, mert egyrészt ritkák, másrészt a kozmikus szomszédságunkban is megtalálhatók. Nevüket alakjukról és jellegzetes zöld színükről kapták, amelyet a kétszeresen ionizált oxigén laboratóriumban 500 nm körüli tiltott, esetünkben rendkívül erős emissziós vonala okoz. Természetesen a vöröseltolódás miatt már a közelebbi objektumok esetében sem zöld a színük, de a képfeldolgozás során meg lehet őket úgy színezni, hogy zöldnek nézzenek ki, és ezzel a színnel hangzik jól a név is. Jellemző méretük 5000 fényév körüli, azaz nem nagyok, ennek ellenére intenzív csillagkeletkezés zajlik bennük. A Webb első mélyűrfelvételén azonosított három zöldborsógalaxis tele van fiatal csillagokkal és olyan fénylő gázzal, amely még nagyon kevés, csillagokból újrahasznosított kémiai elemet tartalmaz, így kémiai összetételüket tekintve a zöldborsók valószínűleg a ma ismert legkezdetlegesebb galaxisok közé tartoznak.
A kozmikus távolságlétra egyik foka
A gravitációslencse-hatásnak köszönhetően sikerült elkészíteni azt a felvételt is, amelyen még a Hubble-űrtávcsővel felfedezett egyik szupernóva és gazdagalaxisának képe látható, de nem egyetlen, nem is kettő, hanem rögtön három példányban. Egészen pontosan az AT 2022riv jelű szupernóva csak az első képen látszik, mert a másik két kép létrejöttére már elhalványult, így azokon csak az a galaxis látható, amelyben felrobbant. A képeket előállító RX J2129 katalógusjelű lencséző galaxishalmaz a Vízöntő csillagkép irányában figyelhető meg, távolsága tőlünk 3,2 milliárd fényév. A galaxishalmaz nem egyenletes tömegeloszlása miatt a gravitációs lencse torzítása a szupernóva jóval messzebb lévő, z = 1,52 vöröseltolódású (fényút: 9,5 milliárd fényév) gazdagalaxisának képét három különböző helyen különböző fényességekkel és időeltolódásokkal hozta létre. A szupernóva azon a képen látszik, amelyikhez a leghosszabb fényút tartozik. A másik két kép 320, illetve 1000 nappal későbbi állapotot mutat, de ezekről a fény rövidebb úton érkezett, addigra viszont a robbanás már elhalványult. Az AT 2022riv Ia típusú szupernóva volt. Az elméletek szerint ezek legnagyobb abszolút fényessége közel azonos, így a maximumban halványabbnak látszók messzebb vannak, mint a fényesebbnek tűnő társaik. Hatalmas energiakibocsátásuk miatt nagyon messziről is megfigyelhetők, így az előbbi tulajdonságnak köszönhetően felhasználhatók távolságmérésre, az úgynevezett kozmikus távolságlétra egyik fokát képezik, de a „sztenderd gyertya” elnevezés is használatos rájuk.
Szupernóva-robbanás és gazdagalaxis; a gravitációs tér három képet is alkotott a távoli galaxisról, a robbanás csak a középsőn látható (ESA/Webb/NASA/CSA/P. Kelly)
A megfigyelések gyarapodásával és azok feldolgozásának előrehaladtával a közeljövőben minden bizonnyal rengeteg új, érdekes felfedezést várhatunk a James Webb-űrtávcsőtől, nem csak a kozmológiához közel álló területeken, de például az exobolygók esetében is. De talán még ilyen messze sem kell mennünk, hiszen az űrtávcső különleges képességei a Naprendszer objektumait is az eddiginél jóval „közelebb” hozhatják, és talán a „hátsó udvarban” is bukkanhatunk nem várt dolgokra.
A szerző csillagász, a Gothard Asztrofizikai Obszervatórium munkatársa
Nyitókép: A Webb első mélyűrfelvétele galaxisokkal, közülük több képét gravitációslencse-hatás torzította el (NASA/ESA/CSA/STScI)
