Дойти до самой сути Вселенной 

— На какие вопросы науки может помочь ответить работа James Webb Space Telescope? 

— В отличие от некоторых других космических телескопов (например, успешно отработавших на зонде WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), запущенном NASA, или спутнике «Планк» Европейского космического агентства), телескоп «Джеймс Уэбб» был разработан не с целью ответить на конкретный вопрос o физике Вселенной, а с целью предоставить научному сообществу мощный инструмент, с помощью которого можно исследовать целый ряд вопросов. 

Любой новый телескоп оценивается по главному параметру: насколько его возможности превышают предыдущие. Ведь именно тогда, когда существенно улучшаются наблюдательные возможности — либо в плане доступной области спектра излучения, либо в плане четкости изображения — тогда и случаются открытия. То, что было не видно раньше, вдруг становится видно и понятно. 

С этой точки зрения, у «Уэбба» несколько огромных преимуществ по сравнению с предыдущими великими обсерваториями NASA. Четкость его изображения сравнима с телескопом «Хаббл», но «Уэбб» работает в инфракрасном, а не в оптическом, диапазоне, поэтому можно будет наблюдать очень дальние галактики на больших «красных смещениях». Есть вероятность, что с помощью «Уэбба» ученые увидят самые первые звезды и галактики во Вселенной. А по сравнению с предыдущим американским инфракрасным космическим телескопом «Спитцер», у «Уэбба» огромная чувствительность, так что, например, будут возможны наблюдения атмосфер экзопланет, которые ранее были недоступны исследователям. Так что

А вот какой вклад телескоп внесет в понимание физики Вселенной, это уже зависит от нас — ученых, которые будут им пользоваться! Об этом в подробностях ниже.

— Правильно ли сказать, что первые пять фото, как и все остальные от James Webb Space Telescope, — не совсем фото в привычном нам смысле слова, а результат компьютерного моделирования после долгого времени наблюдений? 

— Нет, это действительно фото! Точнее, будем их называть «изображениями». То, что мы видим на этих изображениях, проходит минимальную обработку. Именно ради великолепного качества этих изображений и строился телескоп. Телескопы устроены приблизительно так же, как и любой цифровой фотоаппарат. Да и в принципе так же, как и человеческий глаз! После линзы (в фотоаппарате или в глазу) или зеркал и линз (в телескопе), свет попадает на детекторы. (Конечно, детекторы на «Уэббе» гораздо более высокого качества, чем в любом фотоаппарате, но принцип такой же.) То, что мы видим, это изображения, непосредственно зарегистрированные на этих детекторах. 

Единственная обработка изображений — цветовая, для этого необходимо получить как минимум два, а лучше три изображения на разных длинах волн и соединить их вместе. Фотоаппарат и человеческий глаз это делают прямо на лету, а «Уэбб» должен получить несколько отдельных изображений. Для публикации в прессе специалисты из американского Института исследований с помощью космических телескопов (Space Telescope Science Institute) убирают из изображений лишний шум (например, вызванный попаданием в детектор космических частиц) и выбирают такие цвета и контрасты, чтобы было хорошо видно все детали. 

Что касается «долгого времени наблюдений», то типичное время наблюдений «Уэббом» составляет несколько часов. Это несколько дольше, чем типичное время наблюдений с помощью космического телескопа «Хаббл», но сравнимо. Многие фотолюбители знают, что для фотографирования в темноте надо увеличить экспозицию — открыть затвор фотоаппарата на более длительное время. То же самое и на телескопе «Уэбб»: чем слабее свет от астрономического объекта, тем больше времени надо его наблюдать, чтобы его увидеть (на профессиональном жаргоне это называется «сидеть на объекте»). Самое «глубокое» из опубликованных изображений было получено за 12.5 часов, но я уверена, что впереди нас ждут еще более глубокие экспозиции и соответственно будут видны еще более дальние и слабые звезды и галактики. 

— Что для вас лично самое любопытное в уже сделанных фото? 

— Самое первое изображение (выше) потрясает количеством информации. Глаз астронома сразу отсекает десятки, если не сотни оранжевых «штрихов», которые располагаются по дугам вокруг центра изображения. Эти сотни штрихов — это очень дальние галактики, при этом на изображении они идут параллельно друг другу. Как такое может быть? Не могут же дальние галактики знать друг о друге и построиться рядами!

Объяснение этого парадокса в том, что здесь мы видим так называемую «гравитационную линзу». Сравнительно близкие к нам галактики (они на вид овальные и бежевого цвета) образуют очень массивное скопление галактик, с триллионами обычных звезд (как наше Солнце) и огромным количеством темной материи. Масса этого скопления так огромна, что его гравитационное притяжение искривляет свет более дальних (оранжевых) галактик, и в результате они располагаются на концентрических дугах. Если присмотреться, есть и особо интересные экземпляры, которые сильно искривлены гравитационным линзированием, например в правой верхней части недалеко от центра. Такие искривления происходят из-за концентрированных сгустков материи в линзе. 

Как вы знаете, темная материя, количество которой в пять-шесть раз превышает количество обычной материи, — это одна из самых главных нерешенных тайн современной физики и астрофизики. Основная масса бежевого скопления галактик, которое образует линзу, именно в этой загадочной темной материи. Поэтому проанализировав изображения галактик, искривленных линзированием, можно восстановить распределение темной материи в скоплении, узнать, распределена ли она однородно или сгустками, и насколько ее распределение связано с распределением звезд, которые сделаны из «обычной» материи, то есть из химических элементов таблицы Менделеева. 

Так что само изображение прошло минимальную обработку. А вот чтобы теперь получить новую информацию о физике Вселенной — в данном случае, о темной материи — необходимо длительное моделирование и научный анализ. 

Остальные три изображения и спектр тоже принесут массу новой информации. Сами изображения, конечно, потрясают воображение, плюс в них перспективы узнать что-нибудь новое и интересное о космосе в результате анализа. Не случайно и то, что для первых наблюдений с помощью «Уэбба» были выбраны объекты, представляющие собой широкий разброс космических масштабов и интересных тем в современной астрофизике: планетарная астрофизика представлена спектром атмосферы экзопланеты недалеко от Солнечной Системы, Галактическая астрономия представлена изображениями области звездообразования и туманности вокруг старой звезды, и внегалактическая астрономия и космология представлены двумя изображениями. 

— Может ли ваша команда ставить задачи перед этим телескопом? Бронировать его время работы под свои научные задачи? Кто определяет научную программу James Webb Space Telescope? 

— Это очень интересные вопросы, и в них заключается основное отличие американской научной системы от многих других. Любой исследователь из любой страны может написать заявку на наблюдения с использованием телескопа «Джеймс Уэбб». В заявке подробно объясняется, какие именно объекты команда хочет наблюдать, почему, сколько времени и с помощью каких инструментов и детекторов (на «Уэббе» можно не только получать разноцветные изображения, но и снимать спектры).

И самое главное — какие интересные вопросы физики и астрофизики заявитель будет решать с помощью этих наблюдений. Заявки на «Уэбб» принимались в 2017-м и в 2020-м годах, чтобы набрать программу наблюдений на первый год, а теперь, когда телескоп активно работает, их будут принимать ежегодно. Полученные заявки рассматриваются на конкурсной основе в Space Telescope Science Institute с участием большой группы из десятков экспертов. Эксперты —профессиональные астрофизики, в основном профессора университетов и научные сотрудники исследовательских центров. 

Экспертная комиссия тщательно изучает все заявки, потом собирается вместе и обсуждает, согласна ли она с заявителем: что наблюдать интересно, а что и не очень, что можно будет с помощью этих наблюдений измерить, а что нельзя, и правильно ли заявка учитывает технические возможности телескопа.

Единственное требование — учет «конфликта интересов», эксперты не могут состоять в комиссии, если она рассматривает заявки их собственной научной группы. Требования к качеству заявок огромные, т.к. конкурс очень высокий: на телескоп «Хаббл» типичный конкурс это десять заявок на одну принятую, и я думаю на «Уэббе» в будущем будет приблизительно такая же ситуация (предыдущие два раза конкурс был от четырех до тринадцати заявок на каждую принятую). Я участвовала в подобных группах, рассматривающих заявки на телескопы, много раз, и всегда очень интересно наблюдать, как группа экспертов постепенно приходит к общему мнению. Через несколько дней обсуждений комиссия выдает список принятых заявок. Так, путем тщательной научной экспертизы и конкурсного отбора, определяется научная программа и телескопа «Джеймс Уэбб». 

Моя команда подала несколько заявок в первые два конкурса. Четыре проекта моей научной группы были приняты для наблюдений в первый год; и мы ожидаем первые данные уже на этой неделе! На одну научную группу это сравнительно большое количество программ, плюс я еще состою соавтором в нескольких заявках других групп. Это связано с тем, что моя группа в Университете Джонса Хопкинса уже несколько лет занимается разработкой методов анализа данных с «Уэбба», поэтому у нас был большой задел. 

— Что вы ждете от работы этого телескопа для своих исследований? Удастся ли продвинуться в понимании феномена черных дыр? Квазаров? Экзопланет? Формирования звезд? 

— У меня широкий круг интересов в астрофизике. Я интересуюсь всеми темами — от планет и звезд до галактик и космологии — где можно добиться прогресса с помощью новых телескопов и инструментов. Меня всегда вдохновляют качественные скачки в наблюдательных возможностях, и «Уэбб» это как раз тот самый случай.

Например, в одной из наших программ мы будем наблюдать двойные квазары, которые наша группа открыла пару лет назад с помощью данных телескопов «Гайя» (Европейского космического агентства) и «Хаббл» (NASA) в сотрудничестве с группой Юэ Шена (Yue Shen) из Университета штата Иллинойс (США).

Двойные квазары образуются, когда две массивные галактики сталкиваются и начинают сливаться в одну, а обе черные дыры в их центрах начинают поглощать газ, излучать и становятся квазарами на близком расстоянии друг от друга. По крайней мере, таковы наши догадки на настоящий день. И именно с помощью «Уэбба» мы впервые хорошенько рассмотрим все детали и разберемся, правильно ли мы понимаем этот этап формирования черных дыр. 

Остальные наши программы на первый год так или иначе связаны с так называемыми галактическими ветрами. Излучение материи вокруг черных дыр может быть таким мощным, что оно буквально выдувает весь имеющийся газ из галактики и на долгое время останавливает в ней звездообразование. Это очень важный этап в формировании галактик, который определяет максимальную массу галактик во Вселенной.

Около десяти лет назад моя группа была одной из первых, пронаблюдавших галактические ветры в галактиках с квазарами с помощью наземных телескопов. Теперь с помощью «Уэбба» мы можем исследовать самые экстремальные галактические ветры во Вселенной, которые нам не были доступны с Земли, и впервые увидеть их влияние на звездообразование.

В будущем я обязательно подам заявки на «Уэбб» и по другим научным направлениям. Конкретно сейчас меня интересуют экзотические звезды в нашей Галактике, например двойные белые карлики, остатки взрывов сверхновых звезд и мощные газовые струи из областей звездообразования. Когда мы наблюдаем какие-то очень редкие и экстремальные астрофизические ситуации — самые мощные галактические ветры, самые компактные объекты, самые близкие двойные звезды и пр. — всегда есть шанс увидеть самые экстремальные физические условия и узнать что-то новое о физике Вселенной.

— Ваш научный девиз? 

— «Во всем мне хочется дойти до самой сути…» (Б. Пастернак)