Podglądanie ciepła, czyli co w kosmosie widać w niewidzialnym świetle

W bliskim Ziemi kosmosie działają już satelity wyspecjalizowane w rejestrowaniu najkrótszych fal widma elektromagnetycznego – promieniowania rentgenowskiego i gamma. Na Ziemi postawiono potężne radioteleskopy i anteny badające kosmos za pomocą fala radiowych, milimetrowych i submilimetrowych. Ale jest jeszcze… podczerwień. Dzięki niej można nie tylko obserwować obiekty zupełnie niedostrzegalne w świetle widzialnym, ale i odnajdywać setki tysięcy nowych kosmicznych zjawisk.

Czym jest podczerwień

Każde ciało cieplejsze od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne. Czyli właściwie niemal wszystko, co istnieje, ma w sobie pewne ciepło i można je obserwować. Ciało o temperaturze zaledwie kilku stopni Kelvina emituje promieniowanie cieplne w zakresie tzw. dalekiej podczerwieni, obiekt o temperaturze pokojowej – w zakresie podczerwieni średniej, a ciała jeszcze cieplejsze – w zakresie bliskim. Podczerwień to promieniowanie o długości fal między światłem widzialnym a falami radiowymi, czyli od 780 nm do 1 mm. Odkrył je w 1800 r. niemiecki fizyk William Herschel, który żył w Anglii i został tam nawet nadwornym astronomem. Podczerwień współcześnie znalazła wiele zastosowań w różnych dziedzinach – w noktowizji, termografii, kamerach nadzorczych, w obrazowaniu, w meteorologii, w pilotach sterujących sprzętem domowym. W astronomii zaczęła być wykorzystywana stosunkowo niedawno, ponieważ występujące w ziemskiej atmosferze woda i dwutlenek węgla niemal w całości pochłaniają promieniowanie podczerwone. Na dodatek elementy teleskopów na podczerwień i detektory muszą być bardzo starannie chłodzone, by ciepło samego instrumentu obserwacyjnego nie zakłócało obrazu ciepła badanych obiektów.

Jakie obiekty da się zbadać dzięki podczerwieni? Na przykład chłodne. Powierzchnia naszego Słońca ma temperaturę ok. 6 tys. °C. Jest to obiekt gorący i dlatego widzialny optycznie. Ale gwiazdy, zanim zapłoną, są chłodne i świecą w podczerwieni. Dostrzegamy je tylko w tym zakresie i wówczas można dobrze obserwować narodziny gwiazd i planet. Ponadto dzięki podczerwieni przyglądamy się obiektom skrytym pod pyłem, którego w kosmosie jest bardzo dużo. Pył ma tę właściwość, że absorbuje dobrze światło i po rozgrzaniu je reemituje. Czyli gdy obserwujemy obiekt w zakresie optycznym, często widzimy tylko pył, ale już w podczerwieni możemy się przez ten pył przedostać i zobaczyć to, co dla oka jest zasłonięte, np. młode gwiazdy schowane wewnątrz obłoków, z których powstają. Wreszcie w podczerwieni o wiele lepiej dostrzeżemy też miejsca odległe. Im dalej sięgamy, tym obiekty kosmiczne stają się bardziej czerwone. Wszechświat się bowiem rozszerza, galaktyki oddalają się od siebie coraz bardziej, więc ich światło, które dociera do nas, również się rozciąga, fale są coraz dłuższe, o coraz mniejszej energii i widmo przesuwa się w stronę podczerwieni. Dlatego chcąc zobaczyć galaktyki najdalsze, potrzebujemy podczerwieni. Jest jeszcze kwestia obserwacji obcych planet. Bardzo często bywa, że promieniowanie macierzystej gwiazdy maskuje planetę w świetle widzialnym, a w podczerwieni promieniowanie gwiazdy jest znacznie słabsze i dzięki temu okrążające ją planety można łatwiej wykryć.

Pierwsze obserwacje

Wprawdzie z Ziemi trudno obserwować kosmos w podczerwieni, ale da się prowadzić obserwacje tego typu w podczerwieni bliskiej, i to na dużych wysokościach, gdzie stężenie gazów atmosferycznych jest już bardzo małe. Dlatego pierwszych badań kosmosu w podczerwieni dokonywano przy zastosowaniu balonów stratosferycznych i samolotów. Od razu zaczęto odkrywać wiele nowych i bardzo ciekawych obiektów i było jasne, że podczerwień stanie się wkrótce niezwykle ważnym zakresem elektromagnetycznym w astronomii. W 1967 r. zainaugurowano działanie obserwatorium Mauna Kea na szczycie hawajskiego wulkanu na wysokości 4205 m n.p.m. Obecnie znajduje się w nim aż 12 teleskopów, z których większość służy do obserwacji w podczerwieni i świetle widzialnym. Do dzisiaj jest to kluczowe centrum astronomiczne tego typu. Niedługo potem teleskop na podczerwień w ośrodku Mount Wilson w USA przeprowadził pierwszy przegląd nieba w podczerwieni i wykrył 20 tys. obiektów, głównie protogwiazd, a także gwiazd w centrum Drogi Mlecznej. W 1970 r. w górach Santa Catalina w Arizonie utworzono Obserwatorium Mount Lemmon, w którym rozpoczął pracę półtorametrowy teleskop na podczerwień.

Jednak teleskopy na podczerwień umieszczane nawet na dużych wysokościach na Ziemi mają ograniczone możliwości obserwacji, czyli do określonej długości fal. Rejestrują w zasadzie tylko fale w bliskiej podczerwieni. Z kolei balony stratosferyczne i wysoko latające samoloty wykrywają zakresy większe, ale czas dokonywanych przez nie obserwacji jest ograniczony. Jedynym sposobem, by przezwyciężyć te niedogodności, było zbudowanie teleskopów kosmicznych na podczerwień. Pierwsze takie urządzenie – IRAS, czyli Infrared Astronomical Satellite – było wspólnym projektem NASA oraz narodowych agencji Wielkiej Brytanii i Holandii. IRAS został wystrzelony w styczniu 1983 r. i pracował do listopada tego samego roku. Był chłodzony ciekłym helem i pracował na falach o długości 12, 25, 60 i 100 nm. Choć misja trwała stosunkowo krótko – zakończyła się po wyczerpaniu zapasów ciekłego helu – IRAS dokonał przeglądu całego nieba w podczerwieni i odkrył ok. 500 tys. obiektów, w tym głównie galaktyki o nasilonych procesach gwiazdotwórczych, ale też dysk pyłowy wokół gwiazdy Wega, sześć komet, cztery asteroidy, wiele gwiazd i protogwiazd. IRAS był pionierem. Po nim nastąpiły kolejne misje wielu teleskopów kosmicznych na podczerwień.

Kolejne obserwacje

Kolejną misją, o której warto wspomnieć, było kosmiczne laboratorium podczerwone, czyli Infrared Space Observatory (ISO), wspólne przedsięwzięcie europejsko-japońsko-amerykańskie. Działało w latach 1995–1998. Udało się dzięki niemu odkryć ślady krzemianów krystalicznych poza Układem Słonecznym, głównie w atmosferach gwiazd, oraz ślady pary wodnej wokół planet, komet, w otoczkach wokółgwiazdowych, a nawet w odległej od nas o 250 mln l.ś. galaktyce Arp 220. Wielkim sukcesem zakończyła się też misja amerykańskiego Kosmicznego Teleskopu Spitzera o średnicy 85 cm, który działał w latach 2003–2020 i prowadził fotometrię w całym zakresie promieniowania podczerwonego. Trudno przecenić znaczenie tego urządzenia dla współczesnej astronomii. Pierwszy bezpośredni pomiar natężenia promieniowania planety pozasłonecznej, dokładne poznanie ewolucji dysków gazowo-pyłowych wokół gwiazd typu słonecznego, wykazanie, że obiekty o masach 10 mas Jowisza i większe (pomiędzy planetami a brązowymi karłami), jak i same brązowe karły powstają podobnie jak gwiazdy, a więc w kolapsie grawitacyjnym obłoku gazowego – to tylko niektóre dokonania Spitzera. Z kolei dokładne prześledzenie procesu powstawania gwiazd oraz procesu tworzenia się galaktyk we wczesnym wszechświecie i ich ewolucji to największa zasługa Kosmicznego Obserwatorium Herschela Europejskiej Agencji Kosmicznej, które działało w latach 2009– 2013. Wyposażono je w teleskop o średnicy aż 3,5 m, który był wyspecjalizowany w fotometrii w dalekiej podczerwieni i na falach submilimetrowych.

Poza wymienionymi misjami w kosmosie działały jeszcze inne teleskopy na podczerwień, np. japońska sonda Akari, która obserwowała ewolucję protogalaktyk oraz żłobków gwiazd, czy amerykański sztuczny satelita MSX, stworzony na potrzeby międzykontynentalnego systemu obrony przeciwrakietowej, który też badał niebo w podczerwieni.

Podczerwień w czasach JWST

Gigantyczny Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który pierwsze obrazy kosmosu w podczerwieni – bo jest to teleskop śledzący przede wszystkim całe spektrum podczerwone – zaprezentował w lipcu zeszłego roku, powstał w celu obserwacji różnych typów obiektów. Jego główne obszary badawcze to: próba dotarcia do tzw. ery wtórnej jonizacji, czyli momentu, w którym pierwsze obiekty świecące w kosmosie zjonizowały materię międzygalaktyczną, oraz do czasu, gdy tworzyły się pierwsze galaktyki. Ma też śledzić powstawanie gwiazd oraz ich systemów planetarnych zarówno w Drodze Mlecznej, jak i w obcych galaktykach. Dzięki niemu przyjrzymy się ciemnym brązowym karłom – czyli tzw. nieudanym gwiazdom, których istnieje mnóstwo w kosmosie, a nawet będziemy śledzić asteroidy i komety w Układzie Słonecznym. Wreszcie zajmie się bardzo nośnym dzisiaj zagadnieniem szukania śladów życia w atmosferach obcych planet.

Pierwszym zdjęciem JWST zaprezentowanym przez prezydenta Joego Bidena właśnie w lipcu 2022 r. było ujęcie w podczerwieni gromady galaktyk SMACS 0723, leżącej 4,6 mld l.ś. od nas. Widzimy ją zatem w takim stanie, w jakim znajdowała się 4,6 mld lat temu. Zdjęcie nazwano Pierwszym Głębokim Polem Webba (Webb’s First Deep Field), nawiązując tym samym do słynnego ujęcia teleskopu Hubble’a, zwanego Głębokim Polem Hubble’a, które wiele lat temu ukazywało najdalsze skupiska galaktyk zaobserwowane kiedykolwiek przez oko ludzkie. Na tym obrazie dzięki ogromnej czułości teleskopu Webba wyraźnie widać tzw. efekt soczewkowania grawitacyjnego, czego teleskop Hubble’a raczej by nie dostrzegł. To lekko zakrzywione, krótkie i cienkie bliki świetlne, które są powiększonymi obrazami bardzo dalekich obiektów, znajdujących się jeszcze istotnie dalej za gromadą SMACS, działającą jak soczewka grawitacyjna. Soczewkowane obiekty pochodzą z epoki, gdy wszechświat liczył mniej niż miliard lat.

Dzięki teleskopowi Webba naukowcy odkryli też dwie wyjątkowo jasne galaktyki, które istniały już ok. 350 i 450 mln lat (!) po Wielkim Wybuchu. Ich ekstremalna jasność jest zagadkowa dla astronomów i wydaje się, że bardzo szybko przekształcają one gaz galaktyczny w gwiazdy. Mają kształt sferyczny lub dyskowy i są znacznie mniejsze niż nasza Droga Mleczna. To bardzo jasne i zwarte galaktyki, a ich kolory wskazują, że składają się z populacji gwiazd pozbawionych ciężkich pierwiastków. Takich ekstremalnie gorących pierwotnych gwiazd nie obserwuje się we wszechświecie lokalnym. Być może niektóre z nich należą do tzw. III hipotetycznej populacji gwiazd najstarszych, dotąd nieobserwowanych, które mogły powstawać już 100 mln lat po Wielkim Wybuchu, nim jeszcze utworzyły się pierwsze galaktyki. Tak daleko obserwacjami astronomicznymi jeszcze nie sięgaliśmy. Dalsze spektroskopowe badania wykonane przez teleskop Webba pozwolą dokładnie potwierdzić odległość do tych galaktyk.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba sporządził też dokładny obraz egzoplanety WASP-96b, a dokładnie – jej spektralnego widma. Planeta znajduje się 1150 l.ś. od nas i okrąża gwiazdę podobną do Słońca. Jest gorącym olbrzymem tak masywnym jak Saturn, który orbituje wokół swojej macierzystej gwiazdy co... 3,4 dnia (!). Czyli niewyobrażalnie blisko. WASP-96b jest ciekawa ze względu na to, że już wcześniej wykryto w jej atmosferze wiele pierwiastków i związków, m.in. sód, potas, wodę, dwutlenek i tlenek węgla oraz dwutlenek siarki. Webb potwierdził obecność tych pierwiastków i związków. Uzyskane dane dają też wskazówkę, jak chmury WASP-96b mogą wyglądać z bliska. Otóż są rozbite, czyli nie występują w formie jednolitej powłoki nad planetą.

Jednym z niedawnych ważnych odkryć Webba jest zidentyfikowanie ponad 20 wypływów i dżetów wodoru cząsteczkowego na skraju gigantycznej gazowej wnęki wewnątrz gromady gwiazd NGC 3324. Krawędź ta zwana jest też Kosmicznym Klifem. Wypływy i dżety pochodzą z bardzo młodych gwiazd, dopiero co utworzonych, a nawet znajdujących się w trakcie narodzin. Gdy powstając, zaciągają z otaczających je dysków gazu i pyłu materię, jej część wyrzucają w przestrzeń, by spowolnić swój moment pędu. I te ślady istnienia noworodków gwiezdnych, dotąd niewidoczne dla nas, odkrył teleskop Webba (patrz zdjęcie poniżej).

Chociaż obserwatoria i teleskopy kosmiczne na podczerwień działają już w kosmosie od początku lat 80. ub. wieku, dopiero teraz dzięki promieniowaniu podczerwonemu zaczynamy sięgać najdalej, jak to jest możliwe, i widzieć obiekty dotąd niewykrywalne i niewyobrażalne.