Powrót w czasie

Jesteśmy o krok od napisania prawie kompletnej histori Wszechświata.
Obecnie astronomowie obserwują galaktyki sięgając wstecz 97% czasu, jaki minął od Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu.
Światło wyemitowane przez jedną z takich galaktyk, noszącą nazwę SPT0615-JD, rozpoczęło swoją podróż w kierunku Ziemi 13,3 mld lat temu. W 2017 roku dotarło do Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, a my mogliśmy je dostrzec dzięki projektowi o nazwie Reionization Lensing Cluster Survey (RELICS), którego celem jest odkrywanie najstarszych galaktyk. W ramach projektu, który był realizowany od października 2015 roku do października 2017 roku, prowadzono obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i Kosmicznego Teleskopu Spitzera, trwające odpowiednio ponad 100 i ponad 900 godzin. Dzięki projektowi odkryto ponad 300 kandydatów na galaktyki istniejące w pierwszym miliardzie lat Wszechświata.

Obiekty te są fascynujące, ponieważ dzięki nim możemy poznawać nadal całkowicie nieznany fragment naszej historii. Badając takie obiekty, mamy nadzieję dowiedzieć się, jak powstawały pierwsze galaktyki i jaki miały wpływ na rozwijający się wokół nich Wszechświat. Dla przykładu, uważa się, że błyski promieniowania ultrafioletowego, wyemitowane przez galaktyki podobne do SPT0615-JD i pochłonięte przez otaczający je gaz, przekształciły przestrzeń, rozbijając pierwsze obojętne atomy z powrotem na oddzielne protony i elektrony, z których pierwotnie powstały (proces ten nazywamy rejonizacją). Szczegóły tego procesu są jednak wciąż niejasne. Jeśli będziemy mieć szczęście, dzięki najstarszym zaobserwowanym galaktykom wypełnimy luki w naszej wiedzy.

Pierwsze galaktyki
Najstarsze galaktyki nie przypominały dzisiejszych obiektów. Były znacznie bardziej jednorodne niż te, które obecnie nas otaczają, a tworzył je głównie gaz wodorowy. Z upływem czasu znajdujące się w nich gwiazdy przekształcały wodór w cięższe pierwiastki, a gdy umierały w wybuchach supernowych, atomy tych pierwiastków były rozrzucane po całych galaktykach.
W ten sposób następowało wzbogacanie galaktyk w "materiał gwiezdny", zawierający także pierwiastki potrzebne do stworzenia życia. Pierwsze galaktyki nie były wtedy jeszcze majestatycznymi spiralami ani rozdętymi elipsoidami podobnymi do obiektów, które obecnie znajdują się w naszym pobliżu. Panował w nich znacznie mniejszy porządek, miały też znacznie mniejsze rozmiary (co powoduje, że ich wykrycie jest jeszcze trudniejsze). Rozmiary najstarszych znanych nam galaktyk to około 1% wielkości naszej Drogi Mlecznej, obiekty te szybko się jednak rozwijały, tworząc nowe gwiazdy w oszałamiającym tempie. Paliwa było wtedy pod dostatkiem; galaktyki kąpały się w chłodnych strumieniach wodoru, przyciąganego ku ich wnętrzom przez grawitację. Galaktyki często zderzały się i łączyły, co przyspieszało ich rozrost i wywoływało gwałtowne procesy gwiazdotwórcze. Ekspansja Wszechświata spowolniła rozrost galaktyk, ich łączenia następowały rzadziej, a zasoby gazu uległy zmniejszeniu.
Tak z grubsza wygląda obecna wizja historii Wszechświata. Jej szczegóły wciąż są dopracowywane, a bez odpowiedzi pozostaje wiele pytań, zwłaszcza tych, które dotyczą najwcześniejszych epok. Kiedy powstały pierwsze galaktyki? Jakie były ich rozmiary? Jak wyglądały? Czy w tych "cegiełkach", z których powstały przyszłe galaktyki, istniały pojedyncze duże obszary z formującymi się gwiazdami, czy też ich struktura była bardziej złożona? Czy we wszystkich dochodziło do intensywnego przyspieszania procesów gwiazdotwórczych, czy może część z nich zachowywała się spokojniej, jak to się dzieje z większością współczesnych galaktyk? Czy galaktyki miały wystarczająco dużo czasu, aby przyjąć kształt dysku podobnego do dzisiejszej Drogi Mlecznej, czy też zderzały się ze sobą zbyt często, aby do tego doszło? Czy kiedykolwiek odkryjemy galaktykę zbudowaną z czystego wodoru, czy może wybuchy pierwszych supernowych już na samym początku wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie? Jak szybko wzrastała liczba galaktyk i ich masy? Czy faktycznie doprowadziły one do rejonizacji Wszechświata? Mamy nadzieję, że dzięki projektowi RELICS zaczniemy znajdować odpowiedzi na te pytania.

Kosmiczne lupy
Aby spojrzeć w odległą przeszłość, RELICS stosuje metodę opartą na zjawisku soczewkowania grawitacyjnego. Wykorzystujemy "szkła powiększające", których dostarcza nam sama natura w postaci wielkich gromad galaktyk. Ich całkowita masa jest tak duża, że wywołana przez nie grawitacja silnie zakrzywia czasoprzestrzeń zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina. Światło z bardziej oddalonego obiektu przemierzające Wszechświat ulega wzmocnieniu w zakrzywionej czasoprzestrzeni wokół gromady. Z tego powodu dalekie obiekty mogą wyglądać na powyginane i rozciągnięte, a czasami pojawiają się ich wielokrotne obrazy. Jeśli efekt ten wydaje się dziwny, można zaobserwować analogiczny przypadek, kiedy będziemy mieć ochotę na lampkę wina. Popatrz na zapaloną świecę przez podstawę kieliszka, a ujrzysz zwielokrotnione i wzmocnione obrazy płomienia.
Ponieważ wzmocnione obrazy galaktyk są jaśniejsze i widać na nich więcej szczegółów, możemy dostrzec obiekty, które w innym przypadku byłyby dla nas zbyt odległe i słabe. Inną zaletą obserwacji silnie zogniskowanych obszarów nieba jest łatwiejsze odkrywanie odległych galaktyk niż w przypadku obserwowania "pustych", takich jak sławne Głębokie Pola Hubble'a. Nie jest to jednak wcale oczywiste, a metoda ma pewną wadę. Dzięki soczewkowaniu widzimy więcej słabych galaktyk, ale powiększany jest mniejszy obszar, a więc jest na nim mniej obiektów. Który efekt przeważa? Jeżeli mamy do czynienia z wieloma słabymi galaktykami, które widać dzięki powiększeniu, zmniejszenie obszaru jest kompensowane i soczewkowanie wygrywa. Na szczęście we wczesnym Wszechświecie istniało bardzo dużo małych, słabych galaktyk, co oznacza, że możemy odkrywać o wiele więcej odległych obiektów, analizując obrazy nieba, soczewko-wane przez gromady galaktyk.

Zdjęcie 1. Soczewkowanie grawitacyjne.

Trzy spośród największych programów teleskopu Hubble'a, które prowadzono w ciągu ostatnich lat, wykorzystywały soczewkowanie grawitacyjne przez gromady do poszukiwań odległych galaktyk. Do tego celu posłużył również teleskop Spitzera, który obserwuje w zakresie podczerwonym na dłuższych falach niż Hubble. Pierwszy z tych programów, kierowany przez Marca Postmana Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH), to trzyletnie obserwacje 25 gromad galaktyk.
Po sukcesach programu CLASH udało mi się przekonać ówczesnego szefa teleskopu Hubble'a, Matta Mountaina, aby uwzględnić gromady galaktyk w następnym dużym programie obserwacyjnym: Pola Graniczne (Frontier Fields). Stanowił on kontynuację poprzednich programów, które badały najbardziej puste obszary nieba, jakie udało się znaleźć astronomom. Są one pozbawione stosunkowo jasnych "bliskich" galaktyk (leżących zaledwie kilka miliardów lat świetlnych od nas), mogących blokować promieniowanie dalszych obiektów. Pierwszy obraz Głębokiego Pola Hubble'a, który powstał ze złożenia 342 obserwacji przeprowadzonych w ciągu 10 dni 1995 roku, okazał się rewelacją: na pustym fragmencie nieba o wielkości ziarnka piasku trzymanego na wyciągniętej dłoni znajdowało się około 3000 galaktyk. Również następne obszary - Głębokie Południowe Pole Hubble'a i Ultragłębokie Pole Hubble'a - wybrano tak, aby nie było w nich bliskich galaktyk. Pola Graniczne śmiało zerwały z tą tradycją. Jest to sześć fragmentów nieba zawierających najgęstsze skupiska galaktyk odległych o 3-5 mld lat świetlnych. W duchu poprzednich programów, w ramach projektu przeprowadzono również obserwacje sześciu stosunkowo pustych obszarów. Telskopy Hubble'a i Spitzera, wzmocnione przez soczewki grawitacyjne, wykryły na Polach Granicznych wiele odległych galaktyk, w tym najmniejsze, najsłabsze galaktyki, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.

Relikty przeszłości
Po zakończeniu programu CLASH i w trakcie realizacji programu Pól Granicznych nie było wcale jasne, że astronomowie zaakceptują kolejną propozycję obserwacji gromad galaktyk przez teleskop Hubble'a.
Gromady wyszukane zostały w oparciu o opracowany w 2015 roku katalogu, opartym na danych zebranych przez wystrzelony przez Europejską Agencję Kosmiczną teleskop Pianek. Jest on bardziej znany ze szczegółowych obrazów kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (cosmic microwave background; CMB) - najstarszego promieniowania, jakie obecnie występuje we Wszechświecie; ale to także dzięki niemu udało się skatalogować ponad 1000 masywnych gromad galaktyk dostrzegając ich wpływ na dystorsję CMB. Większość tych gromad była już znana wcześniej, ale niektóre z nich zostały odkryte po raz pierwszy. Stwierdzono, że najmasywniejszą gromadę z katalogu - Abell 2163 - obserwowano przez teleskop Hubble'a tylko w zakresie widzialnym widma, nie przeprowadzono zaś obserwacji w podczerwieni, w której odległe galaktyki byłyby widoczne. (Ponieważ Wszechświat się rozszerza, częstotliwość promieniowania emitowanego przez odległe obiekty maleje i przesuwa się ku czerwonej części widma elektromagnetycznego; efekt ten zwany jest przesunięciem ku czerwieni). Odkryta za pomocą Plancka druga pod względem masy gromada - PLCKG287.0+32,9 - w obserwacjach naziemnych okazała się znakomitą soczewką, ale teleskop Hubble'a jeszcze na nią nie patrzył.
Stworzona została lista 41 masywnych gromad galaktyk, których teleskop Hubble'a dotychczas nie obserwował w podczerwieni, i zebrana została grupa astronomów mających pomóc w opracowaniu szczegółowego programu badań. Prosiliśmy o czas obserwacyjny podczas 190 wokółziemskich orbit Hubble'a, czyli o około 5% całkowitego czasu przeznaczonego w 2014 roku dla nowych projektów; w sumie było to ponad 100 godzin obserwacji. Po złożeniu wszystkich propozycji astronomowie z całego świata zebrali się w Baltimore, aby je rozważyć.
Obserwacje RELICS objęły wszystkie 41 gromad. Wykorzystano w nich kanał podczerwony Kamery Szerokokątnej 3 (WFC3/IR). Te gromady, które nie były wcześniej badane w świetle widzialnym, obserwowane były także w pasmach czerwonym, zielonym i niebieskim za pomocą umieszczonej na teleskopie Hubble'a Zaawansowanej Kamery Przeglądowej (Advanced Camera for Surveys; ACS). Otrzymane przez ACS obrazy o wysokiej rozdzielczości pomogły wyznaczyć parametry soczewkowania przez gromadę i ocenić stopień powiększenia dalekich galaktyk, które odkryto w danych z WFC3/IR. Obserwacje prowadzono na siedmiu długościach fal z zakresu od 0,4 do 1,7 um, dzięki czemu astronomowie mogli rozdzielić promieniowanie każdej z galaktyk na jej barwy składowe. Wynajdując znane cechy świetlne, takie jak konkretna długość fali, którą pochłania neutralny wodór, można ocenić stopień przesunięcia światła galaktyki ku czerwieni, a zatem jej odległość.

Wykorzystano także teleskop Spitzera w celu zrealizowania projektu kierowanego przez Maruse Bradać z University of California w Davis, do którego duży wkład wniósł dyrektor Spitzera Tom Soifer. Długości fal, na których obserwuje teleskop Spitzera, umożliwiają dokonanie dokładniejszego przeglądu gwiazd w najstarszych galaktykach, co pozwala wyznaczyć ich masy i stwierdzić, czy obiekty te faktycznie znajdują się tak daleko, jak wynikałoby to z obrazów uzyskanych przez teleskop Hubble'a.

Odkrycie
Galaktykę SPT0615-JD wypatrzył w 2017 roku odbywający staż podoktorski Brett Salmon, którego zatrudniliśmy do pracy przy programie RELICS. Obiekt ten wcale nie rzucał się od razu w oczy. Galaktyki mogą mieć dla nas czerwoną barwę z różnych powodów. Niektóre, tak jak SPT0615-JD, mają duże kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni. Inne są otoczone przez pył, który pochłania bardziej niebieskie światło, po czym emituje je w podczerwieni, dzięki czemu galaktyki te wyglądają na bardziej czerwone niż są w rzeczywistości. Jeszcze inne znajdują się blisko nas, ale od pewnego czasu nie powstawały w nich już nowe gwiazdy, a te, które istnieją, to po prostu starsze, długo żyjące obiekty o kolorze czerwonym.
Obserwacje prowadzone za pomocą teleskopu Spitzera na długościach fal od trzech do pięciu mikrometrów mają zasadnicze znaczenie w odróżnianiu odległych galaktyk o dużym przesunięciu ku czerwieni od obiektów bliskich, które są czerwone z natury i w tych długościach fal są jaśniejsze. W rzeczywistości na naszych zdjęciach z teleskopu Hubble'a mieliśmy początkowo trzech kandydatów (w tym SPT0615-JD), których przesunięcie ku czerwieni (oznaczane literą z) mogło wynosić około 10. Odpowiada to epoce, w której wiek Wszechświata wynosił niecałe 500 min lat, czyli ponad 13 mld lat temu. Analiza obserwacji przeprowadzonych za pomocą teleskopu Spitzera wykazała jednak, że dwaj z nich zapewne mają z równe około 2, kiedy to Wszechświat miał "tylko" 10 mld lat (prawie trzy czwarte obecnego wieku), natomiast SPT0615-JD ostał się jako najbardziej prawdopodobny kandydat na daleką galaktykę.

Z połączonej analizy Salmona danych z Hubble'a i przeprowadzonej przez Yictorię Strait z University of California w Davis analizy danych ze Spitzera wynikało, że w widmie SPT0615-JD występuje skok na długości fali około 1,34 |im, a w krótszych falach nie ma żadnego promieniowania. Uważamy, że promieniowanie to zostało zużyte na rejonizację niemowlęcego Wszechświata i zostało zaabsorbowane przez pierwsze atomy w kosmosie, z powrotem przekształcając je w jony. Wyraźny skok w widmie SPT0615-JD jest dla nas bardzo korzystny, bowiem zezwala na wyznaczenie odległości. Zmierzona przez nas jego długość wynosi około 1,34 urn, wiadomo zaś, że obojętny wodór pochłania skrajne promieniowanie ultrafioletowe o długości fali mniejszej niż 0,1216 (im. Stosunek między skokiem oryginalnym a zaobserwowanym w SPT0615-JD mówi nam, jak silne jest przesunięcie ku czerwieni obiektu, a tym samym jaka jest jego odległość.
Przesunięcie ku czerwieni wynosi 10, co odpowiada epoce 500 min lat po Wielkim Wybuchu, czyli zaledwie 3,5% obecnego wieku Wszechświata. SPT0615-JD jest jedną z najstarszych znanych nam galaktyk. Odkryto dwie nieco dalsze galaktyki, których przesunięcie ku czerwieni wynosi 11, co oznacza, że istniały one już wtedy, gdy Wszechświat miał tylko 400 min lat. Niestety, na zdjęciach wykonanych przez teleskop Hubble'a w podczerwieni wyglądają one jak małe kropki, w których nie można rozróżnić żadnych szczegółów ich struktury. Pod tym względem SPT0615-JD jest obiektem wyjątkowym. Obraz tej galaktyki został rozciągnięty i powiększony przez soczewkowanie grawitacyjne, dzięki czemu możemy mieć znacznie lepszy jej ogląd.

Obecne obserwacje jeszcze tego nie zapewniają, ale mamy nadzieję przeprowadzić dłuższe badania za pomocą teleskopu Hubble'a i uzyskać więcej szczegółów oraz zarejestrować słabsze wielokrotne obrazy, których istnienie przewiduje Rachel Paterno-Mahler z University of Califbrnia w Imne. Został również zaakceptowany nasz projekt obserwacji za pomocą systemu radioteleskopów Dużego Milimetrowego Układu Atacama (Atacama Large Millimeter Array; ALMA). Liczymy, że dzięki niemu uda się potwierdzić nasze wyznaczenie odległości i wykryć tlen, co byłoby pierwszą detekcją istnienia ciężkiego pierwiastka w tak wczesnej epoce Wszechświata. Chcemy też zaproponować obserwacje prowadzone przez następną flagową misję NASA - Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope; JWST), które mogą dostarczyć szczegółowych zdjęć wewnętrznych obszarów galaktyki, pomóc w wyznaczeniu jej wkładu w proces rejonizacji i określeniu jej składu chemicznego (czy jest zbudowana z czystego wodoru, czy też została wzbogacona w cięższe pierwiastki).
SPT0615-JD to najcenniejsze odkrycie, jakiego dokonano w ramach programu RELICS, ale oprócz niego znaleźliśmy jeszcze ponad 300 kandydatów na stare galaktyki. Ich status wymaga potwierdzenia przez dalsze obserwacje, niemniej stanowią one istotny postęp w procesie badania młodego Wszechświata. Dzięki RELICS odkryliśmy także najjaśniejsze znane dotąd galaktyki, których przesunięcie ku czerwieni wynosi około 6, a zatem istniały one w pierwszym miliardzie lat życia Wszechświata. Jestem tym zaskoczony, ponieważ teleskopy naziemne przeszukiwały wielokrotnie większe obszary nieba. Wykorzystujące efekt soczewkowania grawitacyjnego, obserwacje prowadzone w ramach programu RELICS przez teleskopy Hubble'a i Spit-zera pozwoliły wykryć jaśniejsze galaktyki w takiej odległości.

Luka w historii
Najstarsze galaktyki, które odkryliśmy dzięki programowi RELICS, pomagają wypełnić lukę w podręcznikach historii Wszechświata. Naukowcy opracowali ramy teorii opisującej pierwsze chwile Wszechświata od momentu jego powstania w Wielkim Wybuchu i gwałtownego rozdęcia przestrzeni w tak zwanej epoce inflacji. Około 380000 lat po narodzinach czasu i przestrzeni temperatura spadła wystarczająco, by mogły powstać pierwsze atomy, a światło swobodnie się przemieszczać. Dziś widzimy tę poświatę jako kosmiczne promieniowanie tła.
Po tej epoce następuje 400-milionowa przerwa w naszej opowieści. Nie udało się nam jeszcze zaobserwować żadnego obiektu, który wtedy istniał. Te 3% kosmicznej historii są dla nas kompletnie nieznane, choć wiemy, że wiele się wtedy działo. Pierwsze gwiazdy powstały zapewne 100 min lat po Wielkim Wybuchu. Uważamy, że następnie zaczęły się one grupować i stworzyły pierwsze galaktyki. Emitowane przez nie promieniowanie padało na atomy wodoru, jonizując je i uwalniając zawarte w nich elektrony.
Aby uzupełnić brakujące strony historii naszego pochodzenia, musimy koniecznie zrozumieć ten proces poprzez badanie najstarszych galaktyk. Dzięki RELICS, a także wcześniejszym projektom - takim jak CLASH, CANDELS i Pola Graniczne - poczyniliśmy duże postępy, ale jeszcze większego skoku spodziewamy się po rozpoczęciu działania przez JWST. Instrument, który ma zostać umieszczony na orbicie w 2021 roku, będzie najpotężniejszym narzędziem do patrzenia w przeszłość, jakie kiedykolwiek miała ludzkość. Za jego pomocą będziemy w stanie zobaczyć słabsze, jeszcze bardziej odległe galaktyki w zakresie dłuższych fal; jego rozdzielczość będzie też lepsza od wszystkich wcześniejszych teleskopów. Powinien także pomóc w wyznaczeniu mas i składu chemicznego galaktyk oraz ich wkładu w proces rejonizacji.

Zdjęcie 1. Kosmiczna oś czasu.

Soczewkowanie grawitacyjne ułatwia nam odkrywanie odległych galaktyk za pomocą obecnych teleskopów, a spodziewam się, że efekt będzie jeszcze bardziej pomocny w przypadku obiektów o większych przesunięciach ku czerwieni. Gdy badając kosmos, cofamy się w czasie, widzimy, że mniejsze galaktyki stanowią coraz większy procent wszystkich galaktyk. Jeśli ta tendencja utrzymuje się w ciągu pierwszych 400 min lat, zalety soczewkowania okażą się jeszcze istotniejsze. Opierając się na obecnych szacunkach, przewiduję, że soczewkowanie będzie stanowić klucz do odkrycia najstarszych galaktyk za pomocą JWST.
Dzięki JWST z pewnością ujrzymy galaktyki istniejące 300 min lat po Wielkim Wybuchu, a ja mam mocne przekonanie, że soczewki pozwolą nam zobaczyć galaktyki z pierwszych 200 min lat, zmniejszając naszą historyczną lukę o połowę -oczywiście, jeśli galaktyki powstawały tak wcześnie.

Nasze badania musimy zacząć natychmiast po wystrzeleniu JWST, ponieważ może on działać zaledwie od pięciu do 10 lat. Co prawda, teleskop Hubble'a pracuje wydajnie już 28 lat, ale ilość paliwa zabrana przez JWST wystarczy mu tylko na dekadę. Poruszać się on będzie po orbicie odległej o około 1,5 min km od Ziemi, czyli zdecydowanie za daleko, aby mógł być serwisowany, naprawiany lub modyfikowany przez astronautów, co wielokrotnie działo się z teleskopem Hubble'a. Z tego powodu program RELICS ma kluczowe znaczenie dla przyszłych badań za pomocą JWST, ponieważ dzięki niemu identyfikujemy najstarsze galaktyki najlepiej nadające się do obserwacji przez nowy teleskop, a także najsilniej ogniskowane grawitacyjnie obszary nieba, w których JWST powinien szukać nowych galaktyk.

Luka w historii
Najstarsze galaktyki, które odkryliśmy dzięki programowi RELICS, pomagają wypełnić lukę w podręcznikach historii Wszechświata. Naukowcy opracowali ramy teorii opisującej pierwsze chwile Wszechświata od momentu jego powstania w Wielkim Wybuchu i gwałtownego rozdęcia przestrzeni w tak zw.anej epoce inflacji. Około 380 000 lat po narodzinach czasu i przestrzeni temperatura spadła wystarczająco, by mogły powstać pierwsze atomy, a światło swobodnie się przemieszczać. Dziś widzimy tę poświatę jako kosmiczne promieniowanie tła.
Po tej epoce następuje 400-milionowa przerwa w naszej opowieści. Nie udało się nam jeszcze zaobserwować żadnego obiektu, który wtedy istniał. Te 3% kosmicznej historii są dla nas kompletnie nieznane, choć wiemy, że wiele się wtedy działo. Pierwsze gwiazdy powstały zapewne 100 min lat po Wielkim Wybuchu. Uważamy, że następnie zaczęły się one grupować i stworzyły pierwsze galaktyki. Emitowane przez nie promieniowanie padało na atomy wodoru, jonizując je i uwalniając zawarte w nich elektrony.
Aby uzupełnić brakujące strony historii naszego pochodzenia, musimy koniecznie zrozumieć ten proces poprzez badanie najstarszych galaktyk. Dzięki RELICS, a także wcześniejszym projektom - takim jak CLASH, CANDELS i Pola Graniczne - poczyniliśmy duże postępy, ale jeszcze większego skoku spodziewamy się po rozpoczęciu działania przez JWST. Instrument, który ma zostać umieszczony na orbicie w 2021 roku, będzie najpotężniejszym narzędziem do patrzenia w przeszłość, jakie kiedykolwiek miała ludzkość. Za jego pomocą będziemy w stanie zobaczyć słabsze, jeszcze bardziej odległe galaktyki w zakresie dłuższych fal; jego rozdzielczość będzie też lepsza od wszystkich wcześniejszych teleskopów. Powinien także pomóc w wyznaczeniu mas i składu chemicznego galaktyk oraz ich wkładu w proces rejonizacji.
Soczewkowanie grawitacyjne ułatwia nam odkrywanie odległych galaktyk za pomocą obecnych teleskopów, a spodziewam się, że efekt będzie jeszcze bardziej pomocny w przypadku obiektów o większych przesunięciach ku czerwieni. Gdy badając kosmos, cofamy się w czasie, widzimy, że mniejsze galaktyki stanowią coraz większy procent wszystkich galaktyk. Jeśli ta tendencja utrzymuje się w ciągu pierwszych 400 min lat, zalety soczewkowania okażą się jeszcze istotniejsze. Opierając się na obecnych szacunkach, przewiduję, że soczewkowanie będzie stanowić klucz do odkrycia najstarszych galaktyk za pomocą JWST.
Dzięki JWST z pewnością ujrzymy galaktyki istniejące 300 min lat po Wielkim Wybuchu, a ja mam mocne przekonanie, że soczewki pozwolą nam zobaczyć galaktyki z pierwszych 200 min lat, zmniejszając naszą historyczną lukę o połowę -oczywiście, jeśli galaktyki powstawały tak wcześnie.
Nasze badania musimy zacząć natychmiast po wystrzeleniu JWST, ponieważ może on działać zaledwie od pięciu do 10 lat. Co prawda, teleskop Hubble'a pracuje wydajnie już 28 lat, ale ilość paliwa zabrana przez JWST wystarczy mu tylko na dekadę. Poruszać się on będzie po orbicie odległej o około 1,5 min km od Ziemi, czyli zdecydowanie za daleko, aby mógł być serwisowany, naprawiany lub modyfikowany przez astronautow, co wielokrotnie działo się z teleskopem Hubble'a. Z tego powodu program RELICS ma kluczowe znaczenie dla przyszłych badań za pomocą JWST, ponieważ dzięki niemu identyfikujemy najstarsze galaktyki najlepiej nadające się do obserwacji przez nowy teleskop, a także najsilniej ogniskowane grawitacyjnie obszary nieba, w których JWST powinien szukać nowych galaktyk.

Patrząc wstecz
Nasza Droga Mleczna jest zapewne równie stara, jak SPT0615--JD. Różnica polega na tym, że naszą Galaktykę widzimy w chwili obecnej i nie mamy możliwości zobaczyć, jak wyglądała w bardzo wczesnych epokach Wszechświata. Ponieważ światłu SPT0615-JD zajęło tak dużo czasu, aby do nas dotrzeć, widzimy jej skamieniałą wersję.
SPT0615-JD i nasza Galaktyka mogły mieć podobne historie i rozrastały się w ciągu ostatnich 13 mld lat. W galaktyce SPT0615-JD prawdopodobnie powstały planety krążące wokół gwiazd. Być może na niektórych z tych planet narodziło się życie. Być może niektóre formy tego życia wytworzyły inteligencję, kulturę, technologię i teleskopy kosmiczne. Jeśli tak właśnie było, kosmici z SPT0615-JD mogą teraz spoglądać na nas przez tę samą gromadę galaktyk i analogicznie widzieć powiększony obraz naszej Galaktyki w postaci bladoczerwonej kropki - Drogę Mleczną tuż po uformowaniu.
Dlatego właśnie dzięki nowym możliwościom badamy granice naszego Wszechświata: chcemy odkryć nasze pochodzenie i, co najważniejsze, odnaleźć siebie.

Żródło:
Świat Nauki (Scientific American), 2018 nr 9