Széljegyzet a James Webb űrteleszkóp első színes felvételéhez

Szerző: Pál Balázs

Közép-európai nyári idő szerint a 2022. július 11-ét és 12-ét határoló éjfél tájékán vált a nagyközönség számára is publikussá a James Webb Űrteleszkóp (JWST) első színes, már éles üzemben készült felvétele.

A Webb’s First Deep Field. Fotó: NASA/ESA/CSA/STScI

A kép a Webb’s First Deep Field (WFDF) nevet kapta, mely arra utal, hogy a kép az ég egy nagyon apró szegletére fókuszálva, hosszú expozíciós idő mellett készült, így az égbolt egy nagyon keskeny, de “mély” darabját örökíti meg. A JWST elképesztő képességeit jól jellemzi, hogy míg a WFDF összesen 12,5 órányi expozíciós időt igényelt, addig a Hubble Űrteleszkóp hasonló méretű területet lefedő, de sokkal rosszabb felbontású képéhez, a Hubble Deep Field (HDF) elkészítéshez több, mint 100 órányi expozícióra volt szükség!

Az infravörös tartományban készült képet a JWST “Near-Infrared Camera” (NIRCam) névre hallgató képalkotó műszerének segítségével örökítették meg, mely középpontjában a SMACS J0723.3-7327 (vagy röviden csak SMACS 0723) elnevezésű galaxis klaszter helyezkedik el.

Sok helyen olvasható az a kijelentés – mely eredetileg a JWST hivatalos oldalának hírfolyamáról származik -, hogy “a JWST képe a SMACS 0723 galaxis klasztert mutatja, ahogyan az 4,6 milliárd évvel ezelőtt volt látható”. Ezt az adatot a különféle űrügynökségek (pl. a NASA és az ESA) és a hírportálok is egy-az-egyben átvették. Az egyetlen probléma, hogy ez a kijelentés így, ilyen formában, nem pontos és nem is precíz. Habár a hiba ebben az esetben apró, a precizitást hiányát pedig teljes mértékben a közérthetőségre való törekvésnek róhatjuk fel és így természetesen egyetlen hírügynökség sem kell megdorgálnia miatta az újságíróit, mégis fontos érdekességekkel ismerkedhetünk meg azáltal, ha beszélünk róla.

Sokféle távolságot leíró mértékegység létezik, amik közül mindig az adott helyzethez legmegfelelőbbet szokás alkalmazni. A csillagászatban pl. a távoli objektumok távolságát fényévben szoktuk (többek között) megadni. Egy “fényév” alatt azt a távolságot értjük, amit a fény egy év leforgása alatt megtesz. Ez alapján az talán egy sokak számára már ismert, de mindenképp könnyen érthető koncepció, hogy ha egy csillag tőlünk pl. 8 fényévnyi távolságra található, akkor annak a fénye pontosan 8 év alatt ér a csillag felületéről a szemünkbe.

Ezzel is egyetlen probléma van csak: ez a kijelentés sem igaz általánosan! A világunk sajnos sokkal bonyolultabb, mintsem, hogy ennyire egyszerű összefüggések és ökölszabályok azt maradéktalanul leírhassák. Már csak a fény esetén és előjönnek olyan, annak természetét alapvetően befolyásoló jelenségek, amikhez elengedhetetlen alkalmazkodnunk a korrekt fizikai leírás reményében. Csak az univerzumban történő fényterjedés esetén gondoljunk a nagytömegű objektumok által görbített téridőre, vagy az univerzum folyamatos tágulására, melyek már önmagukban döntően hatással lesznek arra. Ez pedig csak két ismert példa a sok befolyásoló tényező közül, mely megnehezíti mind egy objektum távolságának, mind pedig annak az időnek a becslését, ami alatt az objektum fénye elért hozzánk.

Annak érdekében, hogy a különféle helyzetekben az épp releváns fizikai jelenségeket is figyelembe lehessen venni a kozmológiai skálákon történő idő- és távolságmérések során, a fizikusok számtalan mérési módszerrel, valamint többféle idő- és távolság definícióval rukkoltak elő. A teljesség igénye nélkül a JWST elsőként publikált színes felvétele kapcsán csak három ilyet fogalmat érdemes megemlítenünk.

Az első és legfontosabb mennyiség a vöröseltolódás. Ez a fogalom számtalan esetben témája különféle ismeretterjesztő írásoknak, előadásoknak és műsoroknak is, hisz amennyire fontos koncepció, annyira egyszerűen és szemléletesen mutatható be annak jelentése. Ahogyan egy szirénázó mentőautó hangja egyre magasabbá válik ahogy felénk közeledik, majd hirtelen elmélyül, miután elhaladt mellettünk, úgy a fény esetében is bekövetkezik egy ezzel teljesen analóg jelenség. A felénk közeledő objektumokról a szemünkbe érkező fény “kékebbé”, míg a tőlünk távolodó objektumokról érkező fény “vörösebbé” válik. Minél erősebb ez a hatás, annál nagyobb sebességű az objektum felénk történő közeledése, vagy távolodása. Ennek a hatásnak a mértékét számszerűsíti a “vöröseltolódás” nevű mennyiség. Azt is szokás mondani, hogy minél erősebben “elvörösödött” egy objektum fénye, “annál nagyobb a vöröseltolódása”.

Az 1920-as és 1930-as évek fordulóján Edwin Hubble csillagász – a saját és Georges Lemaître pár évvel korábbi megfigyelései alapján – azt a roppant megdöbbentő megfigyelést tette, hogy minél távolabbra található tőlünk egy objektum az univerzumban, annál nagyobb annak vöröseltolódása. Az előbb említett definíció alapján ez lefordítva azt jelenti, hogy minél távolabbra található egy objektum, annál nagyobb sebességgel távolodik tőlünk! Ez volt a legelső mérési bizonyítéka annak a feltételezésnek, hogy az univerzumunk tágul.

Hubble megállapításaiból következik, hogy ha egy objektum vöröseltolódását valamilyen formában direktben meg tudjuk mérni (amire egyébként a tudomány már régóta képes), akkor abból egyértelműen megadható annak az objektumnak a távolsága. Ezt az összefüggést hívjuk ma Hubble–Lemaitre-törvénynek.

A második megemlítendő fogalom az angolul “proper distance” névvel illetett mennyiség, melynek nincsen egyetlen kifejezéssel leírható magyar fordítása sem. (Talán a “tényleges távolság” egy elfogadható fordítás lehetne, azonban erre jelenleg nincsen a magyar nyelvben konszenzus.) Ez az a mennyiség, ami a hétköznapi életben is használt “távolság” kifejezéshez a legközelebb áll. Ha valaki egy nagyon hosszú mérőszalaggal lemérné a Föld és egy távoli objektum (pl. a WFDF fókuszában álló SMACS 0723 galaxis klaszter) távolságát egy adott időpillanatban, akkor pontosan azt az értékét kapná meg, amit “proper distance” néven emlegetnek. Ahogy a múltban az univerzum tágult és a benne található dolgok egymástól folyamatosan távolodtak, úgy változtak a távoli testek egymástól vett tényleges távolságai”. Az Ősrobbanás idején ez minden test esetén 0 volt, azóta pedig ez a tágulás következtében folyamatosan nő. Sajnos a Hubble–Lemaitre-törvény ezt a változást nem veszi figyelembe, így nagyobb távolságokon az egyre pontatlanabbá és pontatlanabbá válik. A “proper distance” egy megfelelő korrekció így nagyobb távolságskálákon egy objektum távolságának leírásában.

Ez a távolságérték könnyen kiszámítható a SMACS 0723 galaxis klaszterre is. Csupán annak vöröseltolódásának mértékére és néhány általános fizikai paraméterre van szükségünk. A klaszter vöröseltolódása már régebbi mérésekből ismert: 0.390. Ebből egyértelműen kiszámítható a SMACS 0723 távolsága, amire az 5,12 milliárd fényév távolságot kapjuk. Habár kicsinek tűnik az eltérés a híroldalak által is lehozott 4,6-es értékhez képest, gondoljunk bele: ez az érték milliárd fényévben van kifejezve!

A harmadik és egyben utolsó tisztázandó fogalom több angol elnevezéssel büszkélkedhet. Kontextustól függően szokták “light-travelling distance”, “lookback distance”, vagy esetleg “lookback time” néven is emlegetni. Azonban minden verziója roppant beszédes. Ez a távolság-definíció ugyanis azt fejezi ki, hogy ma, az objektumról a szemünkbe érkező fény pontosan mennyi idővel ezelőtt indult el felénk útjára. A fentebb pedig már említett, a fény által megtett út és hozzá szükséges idő közismert összefüggése alapján megállapítható, hogy az objektumról érkező fény mekkora utat tett meg ez idő alatt. Ezért szerepelnek mind a “distance” (távolság), mint pedig a “time” (idő) szavak ezen definíció elnevezéseiben, ugyanis egyszerre képes becslést adni egy csillagászati objektum térbeli távolságára, emellett pedig megadni, hogy egy róla készült fénykép az objektum “mennyire régi arcát mutatja”.

Hasonlóan a “proper distance”-hez, a “lookback distance” is kiszámítható egy objektum vöröseltolódása alapján. Ez a SMACS 0723 esetén 4,35 milliárd fényév, vagy ha időről beszélünk és “lookback time”-ot emlegetünk, akkor ez 4,35 milliárd év. Tehát a JWST fényképén a rajta szereplő galaxis klasztert láthatjuk olyan formában, ahogyan az 4,35 milliárd évvel ezelőtt kinézett!

Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy persze, az interneten elterjedt “4,6 milliárdos” érték egy teljesen elfogadható közelítés egy, a nagyközönségnek szóló hírfolyam esetében, ahol ez az adott hír tartalmának lényegét valójában nem befolyásolja. Azonban nem szabad elfelejteni, hogy a precizitásra minden esetben fontos törekednie egy olyan forrásnak, ami megbízhatóvá szeretne válni az emberek széles körében!