Космический телескоп "Джеймс Уэбб" - это как космическая машина времени. Вот почему

Это была захватывающая неделя, когда были опубликованы потрясающие фотографии нашей Вселенной, сделанные космическим телескопом Джеймса Вебба (JWST).

Такие снимки, как приведенный ниже, дают нам возможность увидеть тусклые далекие галактики такими, какими они были более 13 миллиардов лет назад.

Это идеальное время, чтобы сделать шаг назад и оценить наш билет первого класса в глубины Вселенной и то, как эти снимки позволяют нам заглянуть в прошлое.

Выше: Снимок глубокого поля SMACS 0723 был сделан с экспозицией всего 12,5 часов. Тусклые галактики на этом снимке излучали этот свет более 13 миллиардов лет назад.

Эти изображения также поднимают интересный вопрос о том, как расширение Вселенной влияет на то, как мы рассчитываем расстояния в космологическом масштабе.

Современные путешествия во времени

Путешествие в прошлое может показаться странной концепцией, но именно этим каждый день занимаются исследователи космоса.

Наша Вселенная ограничена правилами физики, одним из самых известных "правил" является скорость света. Когда мы говорим о свете, мы имеем в виду все длины волн электромагнитного спектра, которые распространяются со скоростью около 300 000 километров (около 186 400 миль) в секунду.

Свет распространяется настолько быстро, что в нашей повседневной жизни это кажется мгновенным. Но даже при таких бешеных скоростях свету требуется некоторое время, чтобы добраться до любой точки космоса.

Когда вы смотрите на Луну, вы видите ее такой, какой она была 1,3 секунды назад. Это всего лишь крошечный взгляд назад во времени, но это все равно прошлое. То же самое происходит и с солнечным светом, только фотоны (частицы света), испускаемые с поверхности Солнца, проходят путь чуть более 8 минут, прежде чем достигнут Земли.

Наша галактика, Млечный Путь, простирается на 100 000+ световых лет. А прекрасные новорожденные звезды, которые видны на снимке туманности Карина, сделанном JWST, находятся на расстоянии 7 500 световых лет.

Другими словами, эта туманность, изображенная на снимке, появилась примерно на 2 000 лет раньше, чем в древней Месопотамии, где, как считается, была изобретена первая письменность.

Каждый раз, когда мы смотрим вдаль от Земли, мы оглядываемся назад во времени, чтобы увидеть, как все было когда-то. Это суперспособность для астрономов, потому что мы можем использовать свет, наблюдаемый в течение долгого времени, чтобы попытаться разгадать тайну нашей Вселенной.

Что делает JWST впечатляющим

Космические телескопы позволяют нам видеть определенные диапазоны света, которые не могут пройти через плотную атмосферу Земли. Космический телескоп "Хаббл" был разработан и оптимизирован для использования ультрафиолетовой (УФ) и видимой частей электромагнитного спектра.

JWST был разработан для использования широкого диапазона инфракрасного света. И это ключевая причина, по которой JWST может видеть дальше в прошлое, чем "Хаббл".

Выше: Электромагнитный спектр с диапазонами Хаббла и JWST. Хаббл оптимизирован для наблюдения более коротких длин волн. Эти два телескопа дополняют друг друга, давая нам более полную картину Вселенной.

Галактики излучают целый ряд длин волн электромагнитного спектра - от гамма-лучей до радиоволн и всего, что между ними. Все они дают нам важную информацию о различных физических процессах, происходящих в галактике.

Когда галактики находятся рядом с нами, их свет не сильно изменился с момента излучения, и мы можем исследовать широкий диапазон этих длин волн, чтобы понять, что происходит внутри них.

Но когда галактики находятся очень далеко, у нас уже нет такой роскоши. Свет от самых далеких галактик, каким мы его видим сейчас, растянулся на более длинные и красные волны из-за расширения Вселенной.

Это означает, что часть света, который был бы виден нашим глазам, когда он был впервые испущен, потеряла энергию в результате расширения Вселенной. Теперь он находится в совершенно другой области электромагнитного спектра. Это явление называется космологическим красным смещением.

И именно здесь JWST действительно сияет. Широкий диапазон инфракрасных длин волн, обнаруживаемых JWST, позволяет ему увидеть галактики, которые Хаббл никогда не мог увидеть. Объедините эти возможности с огромным зеркалом JWST и превосходным разрешением пикселей, и вы получите самую мощную машину времени в известной Вселенной.

Световой возраст не равен расстоянию

С помощью JWST мы сможем запечатлеть чрезвычайно удаленные галактики такими, какими они были всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиарда лет назад. Таким образом, мы сможем увидеть свет 13,7 миллиардов лет назад.

Однако, что сейчас поразит ваш мозг, так это то, что эти галактики не находятся на расстоянии 13,7 миллиарда световых лет. Фактическое расстояние до этих галактик сегодня составляет ~46 миллиардов световых лет.

Это несоответствие объясняется расширением Вселенной и затрудняет работу в очень больших масштабах.

Вселенная расширяется благодаря тому, что называется темной энергией. Считается, что это универсальная константа, действующая одинаково во всех областях пространства-времени (ткани нашей Вселенной).

И чем больше расширяется Вселенная, тем большее влияние темная энергия оказывает на ее расширение. Вот почему, хотя возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет, ее реальный размер составляет около 93 миллиардов световых лет.

Мы не можем наблюдать влияние темной энергии в галактических масштабах (в пределах Млечного Пути), но мы можем видеть его на гораздо больших космологических расстояниях.

Сядьте поудобнее и наслаждайтесь

Мы живем в удивительное время технологий. Всего 100 лет назад мы не знали о существовании галактик за пределами нашей планеты. Теперь, по нашим оценкам, их триллионы, и мы избалованы выбором.

И в обозримом будущем JWST будет отправлять нас в путешествие через пространство и время каждую неделю". 

Сара Вебб, постдокторский научный сотрудник, Центр астрофизики и супервычислений, Технологический университет Суинберна.