MACS J0454.1-0300: złocista gromada galaktyk i jej łuki na zdjęciu Webba

Złocista gromada i rozciągnięte pomarańczowe łuki

Złociste galaktyki rozsiane po całym zdjęciu należą do MACS J0454.1-0300. Widzimy gromadę taką, jaka była, gdy Wszechświat miał około 8 miliardów lat, więc jej światło biegło do nas nieco krócej niż 6 miliardów lat. To nasze własne wyliczenie (13,8 minus 8 daje 5,8), a nie liczba podana przez ESA. Te złociste obiekty to galaktyki eliptyczne; największa i najjaśniejsza z nich leży w środku gromady.

Złocisty odcień ma fizyczną przyczynę, choć same barwy dobrano umownie. Galaktyki eliptyczne mają mało gazu, z którego mogłyby powstawać nowe gwiazdy, więc ich światło pochodzi głównie od starych, chłodnych gwiazd, a te świecą silniej na dłuższych falach. Na zdjęciu połączono dziesięć pasm od 0,9 do 4,4 mikrometra, prawie wyłącznie w podczerwieni, i dłuższe fale oddano barwami bliższymi czerwieni. Dlatego galaktyki eliptyczne mają tu złocisty kolor.

Pomarańczowe łuki po lewej nie należą do gromady. To znacznie odleglejsze galaktyki, których obrazy grawitacja gromady wygięła i rozciągnęła, tak że przybrały kształt łuków. Niezależnie od tego ekspansja Wszechświata przesunęła ich światło ku czerwieni, czyli ku dłuższym falom. Webb jest na takie światło znacznie czulszy od Hubble’a, dlatego pokazuje setki galaktyk, których nie widać na zdjęciu tej samej gromady wykonanym przez Hubble’a w 2014 roku.

Jak gromada powiększa obraz i skąd się bierze liczba 300

Gromada to ogromna masa, a masa zakrzywia bieg światła. Gdy galaktyka w tle, gromada i Ziemia leżą niemal na jednej linii, światło tej galaktyki może dotrzeć do nas kilkoma zakrzywionymi drogami. Powstają wtedy łuki, a czasem kilka obrazów jednego obiektu. Cztery lub więcej obrazów jednej galaktyki wymagają bardzo precyzyjnego ustawienia, a tak precyzyjne ustawienie występuje według ESA/Webb tylko w 10–20% gromad.

Soczewkowanie nie zwiększa jasności żadnego fragmentu źródła, tylko rozciąga jego obraz na większy obszar nieba. Powiększenie to powierzchnia obrazu podzielona przez powierzchnię źródła, więc obraz o 300 razy większej powierzchni, w którym każdy fragment świeci równie jasno jak w źródle, dostarcza nam 300 razy więcej światła. Najsilniej powiększone są obrazy w pobliżu tak zwanych linii krytycznych, które soczewka wyznacza na niebie. Dla wyidealizowanego źródła punktowego teoria daje tam powiększenie nieograniczone. Prawdziwe źródło ma jednak skończone rozmiary, więc jego powiększenie też pozostaje skończone, a im mniejsze źródło, tym większe może być powiększenie. Dlatego rekordowe liczby dotyczą małych obszarów, a nie całych galaktyk.

Liczba 300 dotyczy małych, jasnych obszarów w soczewkowanych galaktykach tła. Mogą one mieć zaledwie 5 lat świetlnych średnicy, a niektóre widać powiększone ponad 300 razy. Dzięki soczewce Webb może badać obiekty zbyt słabe, by sam teleskop z 6,5-metrowym zwierciadłem zdołał je wykryć.

Co widać na tym zdjęciu i co będzie dalej

Na zdjęciu widać wielokrotne obrazy galaktyk z młodego Wszechświata: grupy galaktyk z czasów, gdy od Wielkiego Wybuchu minęły 2 miliardy lat, oraz pojedynczej galaktyki z czasów, gdy minęło zaledwie 800 milionów lat. Wygląda na to, że galaktyki tej grupy łączą się ze sobą, co prawdopodobnie wywołało gwałtowne nasilenie powstawania gwiazd. Rzadki układ czterech lub więcej obrazów jednej galaktyki badacze znaleźli w MACS J0454.1-0300 dwukrotnie. To pierwszy przypadek, gdy zaobserwowano go więcej niż raz w tej samej gromadzie.

Dane pochodzą z dwóch programów obserwacyjnych Webba. Pierwszy, kierowany przez L. Furtaka (program 5058), szuka pojedynczych soczewkowanych gwiazd z pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. W tej gromadzie ma śledzić jedną z soczewkowanych galaktyk, wypatrując w niej pojedynczych gwiazd o bardzo silnie powiększonych obrazach. Zespół dopiero przeprowadzi te obserwacje, a komunikat nie podaje żadnych wyników. Drugi program, prowadzony przez S. Fujimoto (program 6882), ma objąć obserwacjami w wielu zakresach fal dużą próbę gromad galaktyk, by zbadać, jak zaczęło się powstawanie gwiazd we wczesnych galaktykach.

Gdzie jest na niebie i co zobaczysz sam

Gromada leży w gwiazdozbiorze Oriona. Jej współrzędne to rektascensja 4h 54m i deklinacja −3° (odpowiedniki długości i szerokości geograficznej na sferze niebieskiej), czyli tuż na południe od równika niebieskiego, więc widać ją z obu półkul. Na szerokości geograficznej Warszawy góruje na wysokości około 35° nad południowym horyzontem. Na początku grudnia znajduje się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce, więc góruje około północy.

Zobaczyć ją na własne oczy to już inna sprawa. Baza danych SIMBAD podaje dla najjaśniejszej galaktyki gromady jasność 18,1 mag w paśmie I bliskiej podczerwieni, a żadna galaktyka gromady nie jest tam wymieniona jako jaśniejsza niż 19 mag w paśmie wizualnym V. Tak słabych galaktyk oko nie dostrzeże przez teleskop amatorski: według często stosowanego przybliżenia teleskop o średnicy 40 centymetrów sięga do około 15 mag, a obiekt o jasności 19 mag jest mniej więcej 40 razy słabszy. Łuki powstałe wskutek soczewkowania widać na tym zdjęciu dzięki czułości Webba w podczerwieni; w okularze nic z tego się nie pojawi.