Kosmiczny Teleskop Webba znajduje galaktyki, które zaprzeczają teoriom astronomicznym

Istnienie drugiej i czwartej najbardziej odległych galaktyk, jakie kiedykolwiek zarejestrowano (UNCOVER z-13 i UNCOVER z-12) potwierdzono za pomocą kamery bliskiej podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (NIRCam). Galaktyki znajdują się w gromadzie Pandora (Abell 2744) i są pokazane tutaj jako długości fal światła w bliskiej podczerwieni przełożone na kolory światła widzialnego. Zdjęcie gromady głównej jest skalowane w sekundach łukowych, które są miarą odległości kątowej na niebie. Okręgi na czarno-białych zdjęciach, przedstawiające galaktyki w zasięgu filtra NIRCam-F277W na pokładzie Teleskopu Jamesa Webba, wskazują, że apertura ma wielkość 0,32 sekundy łukowej. Źródło: Zdjęcie klastra: NASA, UNCOVER (Bezanson i in., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Wstawki: NASA, UNCOVER (Wang i in., 2023) Synteza: Danny Ziemba/Penn State

Późniejsze obserwacje w gromadzie Pandora potwierdziły istnienie drugiej i czwartej najbardziej odległych galaktyk w historii, większych niż inne galaktyki znajdowane w tak ekstremalnych odległościach.

Drugą i czwartą najbardziej odległą galaktykę, jaką kiedykolwiek odkryto, odkryto w obszarze przestrzeni znanym jako gromada Pandora lub Abell 2744, korzystając z danych z… NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Na kolejnym obrazie regionu w głębokim polu widzenia (patrz zdjęcie poniżej) międzynarodowy zespół kierowany przez badaczy z Penn State potwierdził odległość tych starożytnych galaktyk i wywnioskował ich właściwości na podstawie nowych danych spektroskopowych – informacji o świetle emitowanym w całym spektrum elektromagnetycznym – z JWST. Te niewiarygodnie odległe galaktyki, oddalone o około 33 miliardy lat świetlnych, dają wgląd w to, jak powstały pierwsze galaktyki.

Unikalny wygląd i znaczenie

W przeciwieństwie do innych potwierdzonych galaktyk w tej odległości, które pojawiają się na zdjęciach jako czerwone kropki, nowe galaktyki są większe i według naukowców wyglądają jak orzeszek ziemny i puszysta kulka. Dziś (13 listopada) w czasopiśmie ukazuje się artykuł opisujący galaktyki Listy do dzienników astrofizycznych.

Astronomowie szacują, że na tym zdjęciu głębokiego pola gromady Pandora wykonanym przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znajduje się 50 000 źródeł światła w bliskiej podczerwieni. Jego światło przemieszczało się na różne odległości, aby dotrzeć do detektorów teleskopu, co odzwierciedla ogrom przestrzeni na jednym obrazie. Źródło: Nauka: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Uniwersytet w Pittsburghu), przetwarzanie obrazu: Alyssa Pagan (STScI)

„Bardzo niewiele wiadomo o wczesnym Wszechświecie, a jedynym sposobem, aby dowiedzieć się o tym czasie i przetestować nasze teorie na temat powstawania i wczesnego wzrostu galaktyk, jest badanie tych bardzo odległych galaktyk” – powiedział pierwszy autor Bingyi Wang, badacz ze stopniem doktora na Uniwersytecie im. Pensylwania. Eberly State College of Science i członek Zespół JWST UNCOVER (obserwacje Ultradeep NIRSpec i NIRCam przed erą rejonizacji) który przeprowadził badanie. „Przed naszą analizą wiedzieliśmy tylko o trzech potwierdzonych galaktykach w tej ekstremalnej odległości. Badanie tych nowych galaktyk i ich właściwości ujawniło różnorodność galaktyk we wczesnym Wszechświecie i to, jak wiele można się z nich dowiedzieć.

Wgląd we wczesny wszechświat

Ponieważ światło z tych galaktyk musiało przebyć długą drogę, aby dotrzeć do Ziemi, stanowi okno w przeszłość. Zespół badawczy szacuje, że światło odkryte przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zostało wyemitowane z obu galaktyk, gdy Wszechświat miał około 330 milionów lat, i przebyło około 13,4 miliarda lat świetlnych, aby dotrzeć do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Naukowcy stwierdzili jednak, że galaktyki znajdują się obecnie bliżej 33 miliardów lat świetlnych od Ziemi ze względu na ekspansję Wszechświata w tym okresie.

„Światło tych galaktyk jest starożytne, około trzy razy starsze od Ziemi” – powiedział Joel Lyja, adiunkt astronomii i astrofizyki w Penn State oraz członek UNCOVER. „Te wczesne galaktyki są jak latarnie morskie, światło przebija się przez bardzo cienki gaz wodorowy, który składał się na wczesny Wszechświat. Tylko dzięki ich światłu możemy zacząć rozumieć dziwną fizykę, która rządziła galaktyką u progu kosmicznego świtu.”

Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, naukowcy odkryli dwie odległe galaktyki w gromadzie Pandora, dostarczając nowych informacji na temat wczesnego Wszechświata. Galaktyki te, wyjątkowe pod względem wielkości i wyglądu, stanowią wyzwanie dla naszego zrozumienia powstawania galaktyk we wczesnym wszechświecie. Źródło: NASA

Warto zauważyć, że te dwie galaktyki są znacznie większe niż trzy wcześniej istniejące galaktyki w tak dużych odległościach. Jedna jest co najmniej sześć razy większa i ma średnicę około 2000 lat świetlnych. Dla porownania, droga Mleczna Galaktyka ma średnicę około 100 000 lat świetlnych, ale Wang uważa, że ​​wczesny Wszechświat był bardzo zwarty, więc zaskakujące jest, że galaktyka mogła być tak duża.

„Galaktyki odkryte wcześniej w tych odległościach są źródłami punktowymi. Na naszych zdjęciach pojawiają się jako kropki” – powiedział Wang. „Ale jedna z naszych wygląda na wydłużoną, prawie jak orzeszek ziemny, a druga wygląda jak cienka kulka. Nie jest jasne, czy różnica w wielkości wynika z tego, jak powstały gwiazdy, czy też z tego, co się z nimi stało po ich uformowaniu, ale różnorodność Właściwości galaktyk są naprawdę interesujące. Oczekuje się, że te wczesne galaktyki powstały z podobnych materiałów, ale już wykazują oznaki znacznego zróżnicowania między sobą.

Metodologia Badań

Obie galaktyki znalazły się wśród 60 000 źródeł światła w gromadzie Pandora odkrytych na jednym z pierwszych zdjęć głębokiego pola wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w 2022 r., pierwszym roku działań naukowych. Ten obszar przestrzeni został wybrany częściowo dlatego, że leży za wieloma gromadami galaktyk, które tworzą naturalny efekt powiększenia zwany soczewkowaniem grawitacyjnym. Siła grawitacyjna połączonej masy gromad zniekształca przestrzeń wokół nich, skupiając i wzmacniając każde światło przechodzące w ich pobliżu, zapewniając powiększony widok za gromadami.

W ciągu kilku miesięcy zespół UNCOVER zawęził listę 60 000 źródeł światła do 700 kandydatów do dalszych badań, z których osiem, ich zdaniem, mogło należeć do pierwszych galaktyk. Następnie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ponownie wskazał na gromadę Pandora, rejestrując widma kandydatów, co stanowiło rodzaj odcisku palca, który szczegółowo określa ilość światła emitowanego na każdej długości fali.

„Kilka różnych zespołów stosuje różne metody poszukiwania tych starożytnych galaktyk, a każda z nich ma swoje mocne i słabe strony” – powiedziała Leija. „Fakt, że kierujemy to gigantyczne szkło powiększające w przestrzeń kosmiczną, daje nam niewiarygodnie głębokie okno, ale jest to bardzo małe okno, więc rzucaliśmy kostkami. Wielu kandydatów było niejednoznacznych, a co najmniej jeden z nich był przypadkiem To było coś znacznie bliższego.” „Symuluje odległą galaktykę. Ale mieliśmy szczęście i dwie z nich okazały się tymi starożytnymi galaktykami. To niesamowite”.

Właściwości i efekty

Naukowcy wykorzystali także szczegółowe modele, aby wywnioskować właściwości tych wczesnych galaktyk, gdy emitują one światło wykryte przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Zgodnie z oczekiwaniami badaczy obie galaktyki były młode, zawierały mało metalu w swoim składzie, szybko rosły i aktywnie tworzyły gwiazdy.

„Pierwsze pierwiastki powstały w jądrach wczesnych gwiazd w procesie fuzji” – powiedziała Lyja. „Jest oczywiste, że te wczesne galaktyki nie zawierały ciężkich pierwiastków, takich jak metale, ponieważ były jedną z pierwszych fabryk, które zbudowały te ciężkie pierwiastki. Oczywiście musiałyby być młode i tworzyć gwiazdy, aby były pierwszymi galaktykami, ale potwierdza to te właściwości są ważnym, podstawowym testem naszych modeli i pomagają w potwierdzeniu kompletnego modelu galaktyk. wielka eksplozja teoria.”

Naukowcy zauważyli, że w połączeniu z soczewkowaniem grawitacyjnym potężne instrumenty na podczerwień Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba powinny być w stanie wykryć galaktyki z większej odległości, jeśli takie istnieją.

„Mieliśmy bardzo małe okno na ten obszar i nie zaobserwowaliśmy niczego poza tymi dwiema galaktykami, mimo że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ma taką możliwość” – powiedziała Leja. „Może to oznaczać, że galaktyki nie powstały wcześniej i że nie znajdziemy niczego dalej. Lub może to oznaczać, że po prostu nie mieliśmy wystarczająco dużo szczęścia z powodu naszego małego okna”.

Praca ta była wynikiem udanej propozycji złożonej do NASA, dotyczącej sposobu wykorzystania Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w pierwszym roku jego działalności naukowej. W pierwszych trzech rundach zgłoszeń NASA otrzymała od czterech do dziesięciu razy więcej propozycji, niż pozwalał na to czas obserwacji dostępny przez teleskop, i musiała wybrać tylko część z nich.

„Nasz zespół był bardzo podekscytowany i nieco zaskoczony, gdy nasza propozycja została zaakceptowana” – powiedziała Leija. „Wymagało to koordynacji, szybkiego działania człowieka i dwukrotnego skierowania teleskopu na ten sam obiekt, a to dużo, jak można wymagać od teleskopu w pierwszym roku jego działania. Presja była duża, ponieważ mieliśmy tylko kilka miesięcy na podjęcie decyzji, co Ale został stworzony. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pracuje nad znalezieniem tych pierwszych galaktyk i robienie tego teraz jest bardzo ekscytujące.

Odniesienie: „Wykrywanie: rzucanie światła na wczesny wszechświat — JWST/NIROSpec Potwierdzenie galaktyki z>12” autorstwa Benjie Wanga, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Osch, Sedona H. Price, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Zielony, Y. . Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker i Christina C. Williams, 13 listopada 2023 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Oprócz Penn State w skład zespołu wchodzą naukowcy z Uniwersytetu Teksasu w Austin, Uniwersytetu Technologicznego w Swinburne w Australii, Uniwersytetu Ben Guriona na Negewie w Izraelu i Uniwersytetu Ben Guriona na Negewie w Izraelu. Uniwersytet YaleUniwersytet w Pittsburghu, Uniwersytet na Sorbonie we Francji, Uniwersytet w Kopenhadze w Danii, Uniwersytet w Genewie w Szwajcarii, Uniwersytet Massachusetts, Uniwersytet w Groningen w Holandii, Uniwersytet PrincetonUniwersytet Waseda w Japonii, Uniwersytet Tufts oraz Narodowe Laboratorium Badań Astronomii Optycznej i Podczerwieni (NOIR).

Prace te były wspierane przez NASA, amerykańsko-izraelską fundację Bi-Science, amerykańską Narodową Fundację Nauki, izraelskie Ministerstwo Nauki i Technologii, francuskie Narodowe Centrum Studiów Kosmicznych, francuski Narodowy Instytut Nauk o Ziemi i Astronomii oraz Instytut Badawczy Centrum. Fundacja Rozwoju Nauki, Holenderska Rada ds. Badań Naukowych, Komisja Europejska i Uniwersytet w Groningen w ramach wspólnego finansowania Programu Rosalind Franklin, Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii i Laboratorium NOIR.