Webb löysi vettä ja uuden mysteerin harvinaiselta pääasteroidivyöhykkeen komeetalta

NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi on mahdollistanut kauan etsityn tieteellisen läpimurron. Webbin NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) -instrumentin avulla tähtitieteilijät ovat löytäneet vesihöyryä komeetan ympärillä pääasteroidivyöhykkeellä. Havainto vahvistaa sen, että vesi alkuperäisestä Aurinkokunnasta voi säilyä jäänä kyseisellä alueella. Veden onnistuneeseen havaitsemiseen liittyy kuitenkin uusi arvoitus: toisin kuin muissa komeetoissa, komeetta 238P/Readissa ei ollut havaittavaa hiilidioksidia.

Tämä kuva komeetta 238P/Readista on otettu NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin NIRCam-instrumentilla (Near-Infrared Camera) 8. syyskuuta 2022. Siinä näkyy utuinen halo, jota kutsutaan komaksi, ja pyrstö, jotka ovat tyypillisiä komeetoille, toisin kuin asteroideille. Pölyinen koma ja pyrstö ovat seurausta jään höyrystymisestä, kun Aurinko lämmittää komeettaa. Kuva ESA.

"Kostea maailmamme, joka on täynnä elämää ja joka on, sikäli kuin tiedämme, ainutlaatuinen maailmankaikkeudessa, on mysteeri – emme ole varmoja, miten kaikki tämä vesi joutui tänne", sanoi Stefanie Milam, Webbin planeettojen apulaisprojektitutkija. "Veden jakautumisen historian ymmärtäminen Aurinkokunnassa auttaa meitä ymmärtämään muita planeettajärjestelmiä ja voisivatko ne olla matkalla isännöimään Maan kaltaista planeettaa", hän lisäsi.

Read on pääasteroidivyöhykkeen kohde, jolla on ajoittain koma ja pyrstö kuten komeetoilla. Asteroidivyöhykkeen komeetat itsessään ovat melko uusi luokitus, ja komeetta Read oli yksi kolmesta alkuperäisestä komeetasta, joita käytettiin luokan perustamiseen. Ennen sitä komeettojen uskottiin olevan peräisin Kuiperin vyöhykkeestä ja Oortin pilvestä, Neptunuksen kiertoradan takaa, missä niiden jäät voi säilyä kauempana Auringosta. Jäätynyt materiaali, joka höyrystyy lähestyttäessä Aurinkoa, kehittää komeetoille niiden koman ja pyrstön, mikä erottaa ne asteroideista. Tiedemiehet ovat pitkään spekuloineet, että vesijää voisi säilyä lämpimämmällä asteroidivyöhykkeellä Jupiterin kiertoradan sisällä, mutta lopullista näyttöä oli vaikea saada – Webbiin asti.

"Olemme aiemmin nähneet päävyöhykkeellä kohteita, joilla on kaikki komeettojen ominaisuudet, mutta vain näiden Webbin tarkan spektritietojen perusteella voimme sanoa, että kyllä, vesijää on ehdottomasti se, joka luo tämän vaikutuksen", selitti tähtitieteilijä Michael Kelley. Marylandin yliopistosta, tutkimuksen johtava kirjoittaja.

"Webin Read-havainnoilla voimme nyt osoittaa, että varhaisen Aurinkokunnan vesijää voi säilyä asteroidivyöhykkeellä", Kelley sanoi.

Taiteilijan näkemys komeetta 238P/Readistä.  Pääasteroidivyöhykkeen komeetasta vesijää höyrystyy (sublimoituu), kun se kiertoradallaan lähestyy Aurinkoa. Tämä on merkittävää, sillä sublimaatio erottaa komeetat asteroideista luoden niiden erottuvan pyrstön ja utuisen halon eli koman. NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin vesihöyryn havaitseminen Readistä on tärkeä vertailukohta asteroidivyöhykkeen komeettojen tutkimuksessa ja laajemmassa tutkimuksessa maan runsaan veden alkuperästä. Kuva ESA.

Hiilidioksidin puuttuminen oli suurempi yllätys. Tyypillisesti hiilidioksidi muodostaa noin 10 prosenttia komeetan haihtuvasta aineesta, joka voi helposti höyrystyä lämmön vaikutuksesta. Tiederyhmä esittää kaksi mahdollista selitystä hiilidioksidin puutteelle. Yksi mahdollisuus on, että Readissa oli hiilidioksidia muodostuessaan, mutta se on menettänyt sen lämmön vaikutuksesta.

"Pitkäaikainen asteroidivyöhykkeellä oleminen voisi tehdä sen - hiilidioksidi höyrystyy helpommin kuin vesijää ja voi sublimoitua miljardeissa vuosissa", Kelley sanoi. Vaihtoehtoisesti, hän sanoi, Read on saattanut muodostua Aurinkokunnan erityisen lämpimään taskuun, jossa hiilidioksidia ei ollut saatavilla.

Seuraava askel on laajentaa tutkimus muihin kohteisiin, jotta nähtäisiin, miten muut asteroidivyöhykkeen komeetat vertautuvat toisiinsa, sanoo tähtitieteilijä Heidi Hammel Astronomian yliopistojen liitosta (AURA). "Nämä kohteet asteroidivyöhykkeellä ovat pieniä ja himmeitä, ja Webbin avulla voimme vihdoin nähdä, mitä niillä tapahtuu, ja tehdä johtopäätöksiä. Puuttuuko myös muilta asteroidivyöhykkeen komeetoista hiilidioksidia? Joka tapauksessa se on jännittävää saada selville”, Hammel sanoi.

Stefanie Milam kuvittelee mahdollisuuksia tuoda tutkimus vielä lähemmäs kotia. "Nyt kun Webb on vahvistanut, että vettä on säilynyt yhtä lähellä kuin asteroidivyöhyke, olisi mielenkiintoista seurata tätä löytöä näytteenottotehtävällä ja oppia, mitä muuta päävyöhykkeen komeetat voivat kertoa meille."

Tutkimus on julkaistu Nature -lehdessä (maksumuuri).

Webb-teleskoopin ottamat ensimmäiset kuvat julkaistiin

Webb teleskooppi yhtymä (NAS, ESA ja CSA) julkaisi ensimmäiset värilliset kuvat, jotka on otettu heinäkuun alussa teleskoopin hienovirityksen tultua tehdyksi. Julkaistu kuvapaketti sisältää parisen kymmentä eri havaintolaitteilla tuotettua kuvaa infrapunaisella aallonpituudella. Kuvien erotuskyky on vähintään yhtä hyvä kuin Hubblella otettujen kuvien mutta useimmiten selkeästi parempi kuin koskaan tähän mennessä infrapunaisella aallonpituuksilla otettujen kuvien.

Kuvapaketti on sen verran laaja, että kaikkien kuvien käsittely yhdessä artikkelissa ei ole järkevää, joten Avaruusmagasiini palaa yksittäisiin kuviin omilla artikkeleillaan lähiviikkoina.

Webbin syväkenttäkuva. Kuva NASA/ESA/CSA.

 

SMACS 0723

Webbin syväkenttäkuva on otettu galaksijoukosta SMACS 0723 Lentokalan tähdistöstä eteläiseltä tähtitaivaalta. Alueella on tuhansia galakseja ja osa niistä toimii gravitaatiolinsseinä. Gravitaatiolinssi vahvistaa vielä kauempana olevien galaksien kuvia, tosin samalla vääristäen niitä. Joka tapauksessa nämä gravitaatiolinssin synnyttävät kuvat ovat valoa, joka lähti matkaan maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kuva on otettu Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) instrumentilla ja se on koottu useasta eri ir-aallonpituudesta, joiden yhteinen valotusaika on 12,5 tuntia. Itse galaksijoukko (SMACS 0723) sijaitsee ”vain 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä ja joukon edessä ja takan on lisää galakseja eri etäisyyksillä.

Kuvassa on nähtävissä kaukaisten galaksien rakenteita, joita aikaisemmin ei ole pystytty näkemään. Nyt näkyviin tulleet rakenteet ovat tietysti hyvin varhaisesta galaksien kehitysvaiheesta, joten ne saattavat näyttää primitiiviltä.

NIRSpec-laitteiston tuottama spektri 13,1 miljardin valovuoden takaisesta galaksista. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kuvien lisäksi NIRCAM tuottaa spektrejä. Uutena menetelmänä Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) tuottaa spektrejä useista eri kohteista, tästä kuvasta jopa 48 galaksin spektrit samanaikaisesti. Tämä on mahdollista, koska laitteistossa on mikrosuljinjärjestelmä, jollaista ei aikaisemmin ole avaruudessa käytetty.

Webb on nyt täysin fokusoitu

NASAn James Webb -avaruusteleskoopin kohdistus on nyt valmis. Täydellisen tarkastelun jälkeen observatorion on vahvistettu pystyvän kaappaamaan teräviä, hyvin tarkennettuja kuvia kaikilla neljällä tutkimusinstrumentillaan. Teleskoopin kohdistamisen seitsemännen ja viimeisen vaiheen päätyttyä ryhmä piti joukon tärkeitä päätöskokouksia ja yksimielisesti päätti, että Webb on valmis siirtymään eteenpäin seuraavaan ja viimeiseen valmisteluvaiheeseen, joka on tutkimusinstrumenttien käyttöönotto. Tämä prosessi kestää noin kaksi kuukautta ennen kuin varsinainen havaintotoiminta alkaa kesällä.

Tekniset kuvat terävästi fokusoituneista tähdistä kunkin instrumentin näkökentässä osoittavat, että teleskooppi on täysin kohdistettu ja tarkennettu. Tässä testissä Webb suunnattiin osaan Suuresta Magellanin pilvestä, Linnunradan pienestä satelliittigalaksista, joka tarjoaa satojen tuhansien tähtien tiheän kentän observatorion kaikkien antureiden alueella. Tässä esitettyjen kuvien koot ja sijainnit kuvaavat kunkin Webbin instrumentin suhteellista sijoittelua kaukoputken polttotasossa, ja kukin osoittaa hieman eri taivaan osaan suhteessa toisiinsa.

Webbin kolme kuvantamislaitetta ovat NIRCam (kuvat näkyvät tässä 2 mikronin aallonpituudella), NIRISS (kuva tässä 1,5 mikronia) ja MIRI (7,7 mikronia, pidempi aallonpituus paljastaa säteilyn tähtienvälisistä pilvistä sekä tähtien valosta). 

NIRSpec on pikemminkin spektrografi kuin kuvantamislaite, mutta se voi ottaa kuvia, kuten tässä näkyvän 1,1 mikronin aallonpituudella, kalibrointia ja kohteen etsimistä varten. NIRSpec-tiedon osissa näkyvät tummat alueet johtuvat sen mikrosuljinryhmän rakenteista, joissa on useita satojatuhansia ohjattavia sulkimia, joita voidaan avata tai sulkea sen mukaan, ja näin valita se minkä kohteen valo ohjataan spektrografiin. 

Lopuksi Webbin Fine Guidance Sensor jäljittää opastähtiä osoittaakseen observatorion suunnan tarkasti. Laitteiston kahta anturia ei yleensä käytetä tieteelliseen kuvantamiseen, mutta ne voivat ottaa kalibrointikuvia, kuten tässä näkyvät. Näitä kuvatietoja ei käytetä vain kuvan terävyyden arvioimiseen, vaan myös hienovaraisten kuvan vääristymien ja antureiden välisten kohdistusten tarkkaan mittaamiseen ja kalibrointiin osana Webbin yleistä instrumenttikalibrointiprosessia. Kuva NASA.

___

"Nämä merkittävät testikuvat onnistuneesti kohdistetusta kaukoputkesta osoittavat, mitä ihmiset eri maissa ja mantereilla voivat saavuttaa, kun on olemassa rohkea tieteellinen näkemys maailmankaikkeuden tutkimisesta", sanoi Lee Feinberg, Webbin optisten teleskooppielementtien johtaja NASAn Goddard Space Flight Centeristä.

Teleskoopin optinen suorituskyky on edelleen parempi kuin insinööriryhmän optimistisimmat ennusteet. Webbin peilit keräävät nyt avaruudesta täysin fokusoitua valoa jokaiseen instrumentin käyttöön. Kaikkiin laitteiden kuvanlaatu on "diffraktiorajoitettu", mikä tarkoittaa, että nähtävissä olevien yksityiskohtien tarkkuus on niin hyvä kuin fyysisesti kaukoputken kokoon ja käytettyyn aallonpituuteen nähden on mahdollista. Tästä eteenpäin tehtävät muutokset peilien asentoihin ovat hyvin pieniä, lähinnä säännöllisesti tehtäviä säätöjä ensisijaisiin peilisegmentteihin.

"Kaukoputken suuntauksen valmistuttua ja puolen eliniän ponnistelun myötä roolini James Webb -avaruusteleskooppitehtävässä on päättynyt", sanoi Scott Acton, Webbin aaltorintaman tunnistus- ja ohjaustutkija, Ball Aerospace. "Nämä kuvat ovat muuttaneet perusteellisesti tapaani nähdä maailmankaikkeuden. Meitä ympäröi luomisen sinfonia; galakseja on kaikkialla! Toivon, että jokainen maailmassa voisi nähdä ne."

Nyt Webb-tiimi kiinnittää huomionsa tieteellisten instrumenttien käyttöönottoon. Jokainen instrumentti on erittäin hienostunut sarja ilmaisimia, jotka on varustettu ainutlaatuisilla linsseillä, maskeilla, suodattimilla ja mukautetuilla laitteilla, jotka auttavat niitä tekemään suunniteltuja tieteellisiä havaintoja. Näiden instrumenttien erikoisominaisuudet konfiguroidaan ja niitä käytetään eri yhdistelminä instrumenttien käyttöönottovaiheen aikana, jotta voidaan täysin varmistaa niiden valmius havaintoihin.

Vaikka teleskoopin optisten elementtien kohdistus on valmis, joitain kaukoputken kalibrointitoimia on jäljellä: osana tieteellisten instrumenttien käyttöönottoa kaukoputki suunnataan taivaan eri alueille, jolloin observatorioon osuvan auringonsäteilyn kokonaismäärä vaihtelun myötä laitteiden lämpöstabiilisuus voidaan varmistaa. Webbin tutkimuskäytön aloituksen jälkeenkin huoltohavainnoilla kahden vuorokauden välein tarkistetaan peilien suuntaus ja tarvittaessa tehdään korjauksia.