O maşină modernă a timpului: telescopul spațial James Webb și imaginea primelor galaxii din Univers

Telescopul Spațial James Webb (JWST) a furnizat primele imagini uluitoare ale Universului.

Imagini precum cea de mai jos ne oferă șansa să vedem galaxii îndepărtate așa cum erau în urmă cu mai bine de 13 miliarde de ani.

Imaginea SMACS 0723 a fost realizată după o expunere de doar 12,5 ore. Lumina din galaxiile din imagine a fost emisă în urmă cu mai bine de 13 miliarde de ani. Credit: NASA, ESA, CSA și STScI

Suntem într-un moment perfect pentru a înţelege şi aprecia importanţa ştiinţifică deosebită a telescopului James Webb pentru studiul Universului și a modului cum aceste imagini ne permit să privim înapoi în timp.

Imaginile obţinute cu ajutorul telescopului James Webb oferă informaţii valoroase privind modul cum expansiunea Universului influențează calculul distanțelor la scară cosmologică.

Călătoria modernă în timp

A privi înapoi în timp poate părea un concept ciudat, dar este ceea ce fac cercetătorii care studiază spaţiul cosmic în fiecare zi.

Una dintre cele mai cunoscute legi ale fizicii privind Universul se referă la viteza luminii. Atunci când vorbim despre „lumină” ne referim de fapt la toate lungimile de undă din spectrul electromagnetic, care se deplasează cu aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă.

Lumina se deplasează atât de repede încât pare să fie instantanee în ​​viața noastră de zi cu zi, dar chiar şi lumina are nevoie de ceva timp pentru a călători prin cosmos.

Atunci când privim Luna, o vedem de fapt așa cum era acum 1,3 secunde. În acest caz este doar o mică privire înapoi în timp, adică în trecut. La fel este și cu lumina soarelui, cu excepția faptului că fotonii (particule de lumină) emiși de la suprafața Soarelui au nevoie cu puțin peste opt minute pentru a ajunge pe Pământ.

Galaxia noastră, Calea Lactee, se întinde pe mai mult de 100.000 de ani-lumină, iar frumoasele stele nou-născute din imaginea Nebuloasei Carina a telescopului spaţial James Webb se află la 7.500 de ani-lumină distanță.

Cu alte cuvinte, această nebuloasă, așa cum este ilustrată, este dintr-o perioadă cu aproximativ 2.000 de ani mai devreme decât apariția scrisului în Mesopotamia antică.

Nebuloasa Carina este un loc de naştere al stelelor. Credit: NASA, ESA, CSA și STScI

Ori de câte ori privim spaţiul cosmic de pe Pământ, ne uităm de fapt înapoi în timp la cum au fost cândva toate lucrurile din Univers.

Pentru astronomi aceasta este o superputere, deoarece putem folosi lumina pentru a încerca să înţelegem misterul Universului.

De ce este unic telescopul James Webb?

Telescoapele spațiale ne permit să vedem lumina din anumite domenii ale spectrului electromagnetic care nu poate trece de atmosfera densă a Pământului.

Telescopul spațial Hubble a fost proiectat și optimizat pentru a utiliza atât domeniul ultraviolet (UV) cât și domeniul vizibil (optic) ale spectrului electromagnetic.

Telescopul spaţial James Webb a fost conceput pentru a utiliza un domeniu larg al spectrului infraroșu, iar această caracteristică este motivul esențial pentru care acesta poate „vedea” mai departe în timp decât Hubble.

Domeniile spectrului electromagnetic destinate telescoapelor Hubble și James Webb. Telescopul Hubble a fost optimizat pentru lungimi de undă mai scurte. Aceste două telescoape se completează reciproc, oferindu-ne o imagine mai completă a Universului. Credit: NASA, J. Olmsted (STScI)

Galaxiile emit o gamă de lungimi de undă din spectrul electromagnetic, de la raze gama la unde radio. Toate acestea ne oferă informații importante despre diferitele procese fizice care au loc într-o galaxie.

Atunci când galaxiile studiate sunt în apropierea noastră, lumina lor nu s-a schimbat atât de mult de când a fost emisă și putem sonda o gamă vastă a acestor lungimi de undă pentru a înțelege ce se întâmplă în interiorul acestor galaxii.

În schimb, lungimea de undă a luminii din cele mai îndepărtate galaxii, așa cum o vedem acum, a fost deplasată către lungimi de undă mai mari din cauza expansiunii universului.

Aceasta înseamnă că o parte din lumina care ar fi fost vizibilă pentru ochii noștri atunci când a fost emisă pentru prima dată și-a pierdut din energie pe măsură ce universul s-a extins. În prezent aceasta se află într-o regiune complet diferită a spectrului electromagnetic. Acesta este un fenomen numit „deplasare cosmologică spre roșu”.

Aici se remarcă performanţele superioare ale telescopului James Webb faţă de telescopul Hubble.

Gama largă de lungimi de undă în infraroșu detectabile de telescopul James Webb îi permit acestuia să vadă galaxii pe care telescopul Hubble nu le poate detecta. Dacă ţinem cont de oglinda enormă a telescopului James Webb și de rezoluția superioară, atunci este uşor de înţeles de ce telescopul James Webb este cea mai puternică mașină a timpului de până acum.

Vârsta luminii nu reprezintă distanța

Cu ajutorul telescopului James Webb vom putea observa galaxii extrem de îndepărtate așa cum au fost la doar 100 de milioane de ani după Big Bang, care s-a produs în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani.

În consecinţă, vom putea vedea lumina de acum 13,7 miliarde de ani. Cu toate acestea, acele galaxii nu sunt la 13,7 miliarde de ani-lumină distanță. Distanța reală până la acele galaxii ar fi astăzi de aproximativ 46 de miliarde de ani-lumină. Această discrepanță se datorează universului aflat în expansiune.

Universul se extinde ca urmare a „energiei întunecate”. Se crede că este o constantă universală, care acționează, în mod egal, în tot spațiu-timp.

Cu cât universul se extinde mai mult, cu atât este mai mare efectul pe care îl are energia întunecată asupra expansiunii sale. Acesta este motivul pentru care Universul se întinde de fapt pe aproximativ 93 de miliarde de ani-lumină, deși are o vechime de 13,8 miliarde de ani.

Nu putem observa efectul energiei întunecate la scară galactică (în cadrul galaxiei Calea Lactee), dar îl putem observa pe distanțe cosmologice mult mai mari.

Trăim într-o perioadă remarcabilă a tehnologiei. Cu doar 100 de ani în urmă nu știam că există galaxii în afara propriei noastre galaxii. Acum estimăm că există trilioane de galaxii în universul observabil.

Traducere după A cosmic time machine: how the James Webb Space Telescope lets us see the first galaxies in the universe