Ta pravá revoluce, kterou JWST přináší

Před několika dny jste si mohli na našem webu přečíst článek, který vyvrací spekulace, že Teleskop Jamese Webba svými pozorováními zpochybnil teorii Velkého třesku. V dnešním článku si ale budeme povídat o skutečné revoluci, kterou tento teleskop spustil a jejíž rozsah a význam si zatím v plném rozsahu dost možná ani neuvědomujeme. Natalie Batalha toužebně čekala na data z JWST. Pár měsíců poté, co tato špičková kosmická observatoř dosáhla své oběžné dráhy, se Batalha i její výzkumná skupina z University of California ve městě Santa Cruz dočkala potvrzeného pozorovacího času, v rámci kterého mohla provést sledování několika exoplanet, tedy planet, které obíhají kolem jiných hvězd než našeho Slunce.

Mezi těmito objekty byla také WASP-39b pekelně horký svět, který obíhá kolem hvězdy vzdálené zhruba 700 světelných let od Země. Tato planeta byla objevena už před lety, ale teprve v polovině července, když se Batalha a její kolegové dostali k prvním pozorováním JWST tohoto vzdáleného světa, všimli si jasného důkazu přítomnosti plynu, který je na Zemi běžný, ale zatím nikdy nebyl pozorován v atmosféře exoplanety – oxidu uhličitého. Na Zemi je oxid uhličitý klíčovým indikátorem života – rostlinného i živočišného. Exoplaneta WASP-39b však svou mateřskou hvězdu oběhne jednou za 4 dny, takže je moc horká na to, abychom ji mohli označovat za obyvatelnou. Tento objev však může naznačovat možnost dalších zajímavých objevů, které mohou v dalších letech souviset i se světy s mírnějšími podmínkami. A takový poznatek přišel jen pár dní po uvedení JWST do provozu! „Byl to opravdu hodně vzrušující okamžik,“ říká Batalha, jejíž skupina společně prohlížela první data a dodává: „V okamžiku, kdy jsme se na to podívali, tak se stopa oxidu uhličitého prostě a jednoduše krásně vykreslila.“

Nebyla to žádná náhoda. Teleskop Jamese Webba vedený agenturou NASA s významným podílem evropské a kanadské kosmické agentury je nejschopnějším kosmickým teleskopem v historii, který dokáže spatřit objekty 100× slabší, než jaké může pozorovat legendární Hubbleův teleskop. Prakticky okamžitě poté, co se teleskop v červenci 2022 dostal do plného vědeckého provozu, začaly se na nás sypat neuvěřitelné pohledy ze všech končin vesmíru – od snímků vzdálených galaxií na samém úsvitu věků až po úžasné mlhoviny s prachem naplněnými místy zrodu nových hvězd. „Je stejně výkonný, jak jsme doufali, ne-li výkonnější,“ říká s úctou Gabriel Brammer, astronom z Kodaňské univerzity v Dánsku.

Ovšem rychlost, se kterou JWST činí své objevy, souvisí s více faktory než jen s jeho úžasnými schopnostmi. Astronomové se celé roky připravovali na pozorování, která mohou s jeho pomocí činit. Dlouhé roky vyvíjeli algoritmy, které dokáží rychle a spolehlivě proměnit surová data na použitelné informace. Mnoho z těchto dat má navíc volnou licenci k užívání, takže astronomická komunita může na jejich řešení spolupracovat prakticky od chvíle, kdy dorazí. Operátoři teleskopu mohou využívat zkušenosti, které získali jejich kolegové zodpovědní za Hubbleův teleskop. Pozorovací harmonogram tak mohl být napěchován tak těsně, jak to jen bylo možné.

Pro mnohé byl velký objem výjimečných dat překvapující. „Bylo toho více, než jsme čekali,“ přiznává Heidi Hammel, mezioborová výzkumnice z NASA, která se podílí na JWST a je také viceprezidentkou pro vědu v Asociaci univerzit pro astronomický výzkum ve Washingtonu DC a dodává: „Jakmile jsme najeli do provozního režimu, tak jede nonstop. Každou hodinu jsme se dívali na galaxie, exoplanety, nebo vznik hvězd. Je to jako otevřená stavidla na přehradě.“ Od té doby uplynulo několik měsíců a JWST stále posílá velké balíky dat, které ohromují astronomy. Právě s pomocí těchto dat by totiž experti mohli posunout naše chápání vzdáleného vesmíru, exoplanet, vzniku planet, galaktických struktur a mnoha dalších fenoménů. Ne všichni se těšili z přívalu aktivit, které občas odrážely spíše důraz na rychlost před klasickým vědeckým procesem, ale není pochyb o tom, že JWST okouzluje zájemce o téma po celém světě mimořádným způsobem. Stavidla se otevřela – a v dohledné době se nezavřou.

Teleskop Jamese Webba krouží okolo libračního bodu vzdáleného 1,5 milionu kilometrů od Země. Jeho obří primární zrcadlo pokryté zlatem je vysoké jako žirafa (má průměr 6,5 metru) a od svitu Slunce je chráněno slunečním štítem o velikosti tenisového kurtu, takže může mít nerušený a nesrovnatelný výhled na vesmír v infračervené části spektra. Na teleskop se také hodně dlouho čekalo. První náznaky úvah, které s ním souvisely, můžeme vystopovat až do 80. let minulého století! První předpoklady však byly mimořádně optimistické – teleskop měl stát miliardu dolarů a jeho start měl proběhnout kolem roku 2007. Jeho mimořádná složitost však způsobila významná zpoždění a také prodražování. V jedné fázi se dokonce JWST přezdívalo „teleskop, který pozřel astronomii“. Když JWST na konci prosince 2021 konečně odstartoval, nabobtnala už jeho cena k téměř deseti miliardám amerických dolarů.

Ani po startu však nepřišel vytoužený klid a stále tu byly momenty, kdy se expertům i veřejnosti nejistotou svíral žaludek. Cesta JWST do jeho působiště trvala měsíc a k rozložení mnoha dílů jeho konstrukce bylo zapotřebí stovek pohyblivých prvků! Nyní však můžeme říct, že se většinu překážek podařilo překonat – od zpoždění, po bobtnání rozpočtu. Teleskop se pustil do své tvrdé práce, která je pečlivě plánována experty z organizace STScI (Space Telescope Science Institute) z Baltimoru. Každý týden tým odborníků naplánuje další pozorování teleskopu, při kterém vychází z dlouhodobého harmonogramu stovek schválených pozorovacích programů, které mají proběhnout v prvním roce vědecké služby mezi červencem 2022 a červnem 2023.

Cílem expertů, kteří plánují provoz JWST, je udržet teleskop co možná nejzaměstnanější. „To nejhorší, co se může stát, je teleskop, který se fláká,“ říká Dave Adler ze STScI, který je šéfem dlouhodobého plánování JWST a dodává: „Není to totiž vůbec levná záležitost“. V devadesátých letech se občas stalo, že Hubbleův teleskop lidově řečeno neměl do čeho píchnout – stačilo, aby se program jeho pozorování pozměnil, nebo dokonce zrušil. Oproti tomu harmonogram JWST je záměrně nadplánován, aby se předešlo podobným problémům. Palubní trysky a silové setrvačníky pro změnu orientace mohou otáčet teleskopem, aby se mohl dívat na různé tvary na obloze. „Cílem je minimalizovat množství času, kdy se žádná věda nedělá,“ uzavírá Adler.

Výsledkem tohoto napěchovaného harmonogramu je, že každý den může JWST nasbírat více než 50 gigabytů dat! Pro lepší představu – Hubbleův teleskop produkuje většinou něco mezi jedním a dvěma gigabyty. Data obsahující nejen obrázky, ale i spektroskopická měření (v zásadě jde o záření rozložené na jednotlivé vlnové délky) jsou na STScI prohnána přes specializované algoritmy. Softwarová struktura označovaná jako „pipeline“ (česky bychom řekli roura, ale v tomto případně jde o linku proudového zpracování) zkonvertuje surové snímky a holá čísla do užitečných informací. Některé z nich jsou pak okamžitě zveřejněny na veřejných serverech, kde si je mohou vyzvednout zájemci z řad veřejnosti. Za tímto účelem vznikly dokonce specializované programy pro Twitter – třeba JWST Photo Bot. Další data jsou předána vědcům z programů, kteří měli přidělený pozorovací čas. Ti mají zajištěný čas na analýzu „svých“ dat, než dojde k jejich masovému zveřejnění.

Zmíněné pipelines (linky proudového zpracování) jsou v podstatě kódy vytvořené v programovacích jazycích jako je třeba Python. V astronomii se používají už dlouho, ale významného pokroku se dočkaly v roce 2004, poté, co astronomové využili Hubbleův teleskop k tomu, aby 1 milion sekund hleděl na prázdný kousek oblohy. Cílem tohoto pozorování bylo zahlédnout vzdálené galaxie v dalekém vesmíru. Muselo však vzniknout 800 expozic a plánovači dobře věděli, že ruční vyhodnocování by bylo až příliš komplikované. Místo toho vytvořili pipeline pro konverzi jednotlivých snímků do celkového výsledného obrázku. Nebylo to z technického hlediska rozhodně jednoduché, protože každá expozice vyžadovala vlastní kalibraci a zarovnání. „Neexistovala žádná možnost, abyste mohli v té době očekávat, že komunita sama o sobě zkombinuje 800 expozic,“ vzpomíná Anton Koekemoer, astronom-výzkumník ze STScI a dodává: „Cílem bylo umožnit provádění vědy mnohem rychleji.“ Výsledný snímek, který z této iniciativy vzešel odhalil 10 000 galaxií, které se táhnou po celém vesmíru. Dnes tento obrázek známe jako Hubbleovo ultra hluboké pole.

V případě JWST se do hlavní pipeline vyvinutého experty ze STScI dostanou snímky a data ze všech přístrojů JWST a po rychlém zpracování jsou údaje připraveny k vědeckému výzkumu. Mnoho astronomů (profesionálních i amatérských) poté používá své vlastní pipeline, která si vytvořili měsíce a roky před startem, aby dále prozkoumali tato data. Tohle je ten pravý důvod, proč prakticky okamžitě poté, co JWST začal na Zemi sypat svá data, mohli astronomové porozumět tomu, co viděli. To, co by dříve trvalo měsíce a vyžadovalo by to zdlouhavé analýzy, se smrsklo do několika hodin počítačového zpracování. „Seděli jsme tu a byli jsme připraveni,“ vzpomíná Brammer a dodává: „Z ničeho nic se stavidla otevřela a my jsme se do toho mohli pustit.“

Hubbleův teleskop obíhá Zemi jen pár set kilometrů nad jejím povrchem – je tedy dost blízko na to, aby jej mohli astronauti navštívit. V průběhu desetiletí k tomu několikrát došlo a astronauti na teleskopu provedli celou řadu oprav, ale i modernizací – ze všeho nejdříve však bylo potřeba opravit problém se špatně vytvarovaným zrcadlem, který se objevil krátce po startu legendární observatoře v roce 1990. Oproti tomu Teleskop Jamese Webba je několikanásobně dál, než kde kolem Země obíhá Měsíc. Lee Feinberg, manažer optických prvků JWST z Goddardova střediska patřil mezi ty, kteří se těšili, až uvidí, co teleskop skutečně pošle. „Strávili jsme 20 let simulacemi zarovnání teleskopu,“ vzpomíná Feinberg.

V březnu 2022 jejich čekání skončilo. JWST dosáhl cílové pracovní oblasti a Feinberg i jeho kolegové začali přijímat testovací snímky. Když jednou ráno vešel do STScI, svítil na obloze jeden z těchto snímků. Byl to testovací obrázek hvězdy a obsahoval úžasné překvapení. „Byly tam doslova stovky galaxií,“ říká Feinberg a dodává: „Byli jsme z toho úplně mimo.“ Tak podrobný byl snímek, který ukazoval galaxie ze vzdáleného vesmíru, i přesto, že vznikl jen jako kalibrační. „Všichni jsme se zdráhali uvěřit tomu, jak dobře JWST pracuje,“ popisuje Feinberg.

Poté, co teleskop prošel dalším složitým procesem testování a kalibrací, mohl být uveden do vědeckého provozu. Jedním z jeho prvních úkolů bylo podívat se na exoplanetu WASP-39b zmíněnou v úvodu článku přístrojem NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Tento přístroj umožňuje vědcům analyzovat světlo mateřské hvězdy, které prošlo atmosférou exoplanety.

Místo toho, aby se nasbíraná data analyzovala ručně, použili experti pipeline s přezdívkou Eureka!, za jehož vývojem stojí Taylor Bell, astronom z Bay Area Environmental Research Institute, který spadá pod Ames Research Center v Kalifornii. „Cílem bylo dostat se od surových dat k atmosférickým spektrům,“ říká Bell. Analýza informací o exoplanetě jako je tato, většinou vyžaduje měsíce práce. Ovšem v tomto případě se už po pár hodinách od pozorování objevily důkazy oxidu uhličitého. Od té doby byla o této exoplanetě zveřejněna celá řada dalších podrobností, včetně detailního rozboru jejího chemického složení a přítomnosti mraků.

Další výzkumníci používali pipeline k analýze vzdálenějších objektů. V červenci se tým z MIT, v jehož čele stál Rohan Naidu, věnoval rozborům prvních snímků z JWST a podařilo se jim objevit extrémně vzdálenou galaxii GLASS-z13, jejíž světlo by mohlo pocházet až z doby přibližně 300 milionů let po Velkém třesku, což by bylo dříve, než u jakékoliv jiné zatím známé galaxie. Tento objev vyvolal celosvětový rozruch, protože naznačil, že galaxie mohly vzniknout dříve, než se dosud předpokládalo – dokonce možná o několik set milionů let, což by znamenalo, že se náš vesmír formoval rychleji, než se dosud předpokládalo. Tento objev byl možný díky pipeline EAZY, které vytvořil Brammer za účelem relativně hrubé analýzy světla galaxií na snímcích z JWST. „Pipeline odhaduje vzdálenost objektů na základě těchto obrazových pozorování,“ vysvětluje Brammer, který tento nástroj zveřejnil na softwarovém webu GitHub, aby jej mohl využívat kdokoli.

Tradice ve vědeckém prostředí říkají, že výzkumník nabídne svůj vědecký článek časopisu, kde je článek následně recenzován kolegy z oboru a nakonec je buďto schválen k publikaci a nebo zamítnut. Tento proces může trvat měsíce, někdy i roky, což zpožďuje publikaci, ale vždy je to v zájmu přesnosti a vědecké správnosti. Existují však zkratky, jak tento proces obejít. Oblíbenou metodou je zveřejnění předběžné verze vědeckých článků na webu arXiv ještě před recenzním procesem. Tím pádem může být výzkum publikován ještě před jeho zveřejněním ve vědeckém časopise. Existují případy, kdy výzkum není vůbec předložen časopisům a místo toho vědci výhradně spoléhají na arXiv. Článek je pak otevřeně probírán vědci na Twitteru a různých diskusních fórech.

Posílání na arXiv je oblíbené, když jde o nový objev, který chtějí výzkumníci rychle zveřejnit – často ještě předtím, než se objeví konkurenční článek. V případě JWST má zhruba pětina jeho programů pro první rok pozorování otevřený přístup. To znamená, že data jsou okamžitě zveřejněna, jakmile dojde k jejich přenesení na Zemi. To staví výzkumné týmy, které navrhly pozorovací kampaň do okamžitého „souboje“ s ostatními, kteří sledují přicházející data. Jakmile se datová stavidla z JWST vloni v červenci otevřela, mnoho vědců se obrátilo právě na arXiv, aby publikovali první výsledky – se všemi výhodami i nevýhodami, které to přináší.

„Spěchalo se, abychom cokoliv publikovali co možná nejdříve, jak to jen jde,“ říká Emiliano Merlin astronom z astronomické observatoře v Římě, který byl zapojen do prvotních analýz dat z JWST a závodů v nalezení galaxií ve vzdáleném vesmíru. Objev galaxie GLASS-z13 a desítek dalších byl zveřejněn dříve, než následná pozorování mohla potvrdit stáří jejich světla. „Mně osobně se to moc nelíbilo,“ vzpomíná Merlin a dodává: „Když máte co do činění s něčím tak novým a neznámým, věci by se měly desetkrát nebo stokrát ověřit. Takhle to ale neprobíhalo.“

Jednou z obav bylo, že prvotní drobné komplikace s kalibrací mohly přinést malé chybové odchylky. Mnohé z prvních výsledků však zatím obstály při recenzních procesech. Následná pozorování potvrdila, že GLASS-z13 je skutečně rekordně mladá galaxie, ačkoliv její stáří bylo nakonec mírně upraveno, což vedlo k jejímu přejmenování na GLASS-z12. Možný objev dalších galaxií, které se zformovaly ještě dříve než GLASS-z12, naznačuje, že naše chápání toho, jak se ve vesmíru objevily tyto struktury, bude velmi pravděpodobně nutné přehodnotit, což možná naznačuje i radikálnější modely raného vesmíru.

Zatímco některé programy JWST zveřejňují data okamžitě, což někdy vede k frenetickému honu za prvním zveřejněním výsledků, zhruba 80 % všech pozorovacích programů z JWST má stanované „období hájení“, které umožňuje výzkumným pracovníkům, kteří je provozují, exkluzivní přístup k těmto datům po dobu 12 měsíců. To umožňuje vědcům, zejména pak menším skupinám, které za sebou nemají zdroje velkých institucí, pečlivěji prověřit vlastní data před jejich zveřejněním. „Tento přístup vyrovnává nerovnoměrnost zdrojů,“ říká Mark McCaughrean, hlavní poradce pro vědu a průzkum v Evropské kosmické agentuře ESA a vědecký pracovník JWST a dodává: „Pokud odeberete dobu hájení, naskládáte je zpět směrem k velkým týmům.“

Mnozí výzkumníci nevyužijí plných 12 měsíců, které mají k dispozici, což znamená, že se jejich objevy postupně zapojí do nepřetržitého proudu objevů z JWST. Společně s tím, jak probíhají pozorování s otevřeným přístupem, bude přibývat objevů, kterým vyprší období hájení a jejich výsledky budou zveřejněny. „Nyní, když se stavidla otevřela, budeme svědky průběžného vydávání vědeckých článků po dobu nejméně deseti let,“ popisuje Hammel. Možná to ale bude i výrazně déle. Feinberg připomíná, že teleskop má dost pohonných látek na možná i více než 20 let provozu. Tím by se jeho služba mohla protáhnout až do 40. let tohoto století. „Otevíráme úplně nové okno do vesmíru,“ říká Hammel a dodává: „Je to skutečně fascinující okamžik, u kterého můžeme být jako celé lidstvo.“

Přeloženo z:
https://www.technologyreview.com/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/jwst_mirror.jpg
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2221b.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2218a.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2212e.tif
https://pbs.twimg.com/media/FDhT9fVWUAIX0jU?format=jpg&name=large
https://www.esa.int/…/webb_wallpaper/23901371-1-eng-GB/Webb_wallpaper.jpg
https://cdn.esawebb.org/archives/images/publicationjpg/weic2205a.jpg
https://blogs.nasa.gov/…/sites/326/2022/08/JWST_2022-07-27_Jupiter.png
https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2219a.jpg
https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/potm2211a.jpg
https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/WLMa.jpg
https://www.nasa.gov/…/image/telescope_alignment_evaluation_image_labeled.png
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2221e.tif
https://www.nasa.gov/…/image/main_image_deep_field_smacs0723-5mb.jpg
https://stsci-opo.org/STScI-01G7NGNYVB4M2K775W2EN3TGY6.png
https://chandra.si.edu/…/chandrawebb_stephansquintet_comp.jpg
https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/potm2208a.jpg
https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2212c.jpg