Webb po raz pierwszy uchwycił narodziny najstarszych galaktyk we wszechświecie

Ta ilustracja przedstawia galaktykę, która powstała zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy gaz był mieszaniną gazu przezroczystego i nieprzezroczystego w epoce rejonizacji. Dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazują, że w sąsiedztwie tych wczesnych galaktyk znajduje się dużo zimnego, obojętnego gazu, który może być gęstszy niż oczekiwano.
Webb obserwował te galaktyki w ramach badania Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) kilka miesięcy po rozpoczęciu obserwacji w 2022 r. CEERS obejmuje zarówno obrazy, jak i dane zwane widmami z małej migawki na pokładzie NIRSpec (spektrometru bliskiej podczerwieni). Dane z CEERS zostały natychmiast opublikowane, aby wesprzeć tego typu odkrycia w ramach programu Early Release Science (ERS) firmy Webb. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI)

za pomocą Kosmiczny Teleskop Jamesa WebbaNaukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze jako pierwsi odkryli powstawanie trzech najstarszych galaktyk we wszechświecie ponad 13 miliardów lat temu.

Po raz pierwszy w historii astronomii badacze z Instytutu Nielsa Bohra byli świadkami narodzin trzech najstarszych galaktyk, jakie kiedykolwiek istniały we wszechświecie, między 13,3 a 13,4 miliarda lat temu.

Odkrycia dokonano za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który przyniósł nam pierwsze „żywe obserwacje” powstawania galaktyk na Ziemi.

Przez teleskop badacze byli w stanie dostrzec sygnały pochodzące z dużych ilości gazu gromadzącego się i gromadzącego w małej, budującej się galaktyce. Choć zgodnie z teoriami i symulacjami komputerowymi tak właśnie powstają galaktyki, nigdy wcześniej nie widziano czegoś takiego.

„Można powiedzieć, że są to pierwsze „bezpośrednie” obrazy powstawania galaktyk, jakie kiedykolwiek widzieliśmy. „Podczas gdy James Webb pokazywał nam wcześniej wczesne galaktyki na późniejszych etapach rozwoju, tutaj jesteśmy świadkami ich narodzin, a tym samym budowy galaktyki. pierwsze układy gwiezdne we wszechświecie” – mówi profesor nadzwyczajny Casper Elm-Heintz z Instytutu Nielsa Bohra, który kierował nowym badaniem.

Badanie opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nauki.

Jak oni to zrobili?

Naukowcy byli w stanie zmierzyć powstawanie pierwszych galaktyk we wszechświecie, korzystając z zaawansowanych modeli absorpcji światła z tych galaktyk przez gaz obojętny obecny w nich i wokół nich. To przejście jest znane jako przejście Lyman-alfa.

Mierząc światło, badacze byli w stanie odróżnić gaz z nowo powstałych galaktyk od innych gazów. Pomiary te były możliwe jedynie dzięki niezwykle czułym możliwościom obrazowania spektroskopowego w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Galaktyki powstałe wkrótce po Wielkim Wybuchu

Naukowcy szacują, że narodziny trzech galaktyk nastąpiły około 400 do 600 milionów lat po ich pojawieniu się. wielka eksplozjaEksplozja, od której wszystko się zaczęło. Choć wydaje się to długim okresem, odpowiada on galaktykom, które powstały w ciągu pierwszych trzech do czterech procent całkowitego wieku Wszechświata, wynoszącego 13,8 miliarda lat.

Krótko po Wielkim Wybuchu Wszechświat był masywnym, nieprzezroczystym gazem złożonym z atomów wodoru – w przeciwieństwie do dzisiejszego, gdzie nocne niebo jest usiane warstwą wyraźnie określonych gwiazd.

„W ciągu kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu powstały pierwsze gwiazdy, zanim gwiazdy i gaz zaczęły łączyć się w galaktyki. Jest to początek procesu, który obserwujemy w naszych obserwacjach” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Darach Watson.

Narodziny galaktyk miały miejsce w okresie historii Wszechświata znanym jako Era Reionizacji, kiedy energia i światło niektórych z pierwszych galaktyk przedostały się przez obłoki gazowego wodoru.

Te duże ilości gazowego wodoru zostały uchwycone przez badaczy wykorzystujących wizję w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jest to najodleglejszy pomiar zimnego, neutralnego wodoru, budulca gwiazd i galaktyk, jaki odkryli dotychczas naukowcy.

O wczesnym wszechświecie

Wszechświat rozpoczął swoje „życie” około 13,8 miliarda lat temu potężną eksplozją – Wielkim Wybuchem. To wydarzenie dało początek dużej liczbie cząstek subatomowych, takich jak kwarki i elektrony. Cząstki te łączą się, tworząc protony i neutrony, które następnie łączą się, tworząc jądra atomowe. Około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu elektrony zaczęły krążyć wokół jąder atomowych i stopniowo powstały najprostsze atomy we wszechświecie.

Pierwsze gwiazdy powstały kilkaset milionów lat później. W jądrach tych gwiazd powstały największe i najbardziej złożone atomy wokół nas.

Później gwiazdy połączyły się, tworząc galaktyki. Najstarsze znane nam galaktyki powstały około 3–400 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nasz Układ Słoneczny powstał około 4,6 miliarda lat temu, ponad 9 miliardów lat po Wielkim Wybuchu.

Zwiększa to zrozumienie naszego pochodzenia

Badanie przeprowadził Kasper Elm Heintz w ścisłej współpracy z innymi badaczami Darachem Watsonem i Gabrielem Brammerem oraz doktorantem Simonem Vijelgaardem z Centrum Kosmicznego Świtu w Instytucie Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze – ośrodka, którego deklarowanym celem jest zbadać i zrozumieć początek wszechświata. Ten najnowszy wynik przybliża ich do osiągnięcia tego celu.

Zespół badawczy złożył już wniosek o dłuższy czas obserwacji za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, mając nadzieję na rozszerzenie swoich nowych odkryć i dowiedzenie się więcej o najwcześniejszej epoce powstawania galaktyk.

„W tej chwili chodzi o bardziej szczegółowe niż wcześniej mapowanie naszych nowych obserwacji formujących się galaktyk. Jednocześnie nieustannie staramy się przesuwać granicę odległości, w której możemy zobaczyć Wszechświat. Może więc uda nam się to zrobić. zajdę jeszcze dalej” – mówi Simon Vijelgaard.

Według badacza nowa wiedza przyczynia się do odpowiedzi na jedno z podstawowych pytań ludzkości.

„Jedno z najbardziej fundamentalnych pytań, które my, ludzie, zawsze sobie zadajemy, brzmi: «Skąd przybyliśmy?»”. Tutaj zestawiamy więcej odpowiedzi, podkreślając moment powstania niektórych z pierwszych struktur wszechświata. „To proces, który będziemy badać dalej Miejmy nadzieję, że uda nam się połączyć w całość więcej elementów układanki” – podsumowuje profesor nadzwyczajny Gabriel Brammer.

Odniesienie: „Silna absorpcja Lyman-alfa w młodych galaktykach gwiazdotwórczych przy przesunięciu ku czerwieni od 9 do 11” autorstwa Caspera E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simon Vijelgaard, Anne Hutter, Victoria B. Strait, Jorit Mathy, Pascal A. Oish, Pal Jacobson, Niall R. Tanveer, Peter Laursen, Rohan P. Naidu, Charlotte A. Mason, Meghana Kelly, Entai Yeung, Tiger Yu-Yang Hsiao, Abdul Rauf, Dan Kuo, Pablo Arrabal Haro, Steven L. Finkelstein i Son Toft, 23 maja 2024 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adj0343

Badanie przeprowadzili badacze Casper E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simon Vijelgaard, Anne Hutter i Victoria B. Strait, Jorit Mathy i Pascal A. Awish, Pal Jacobson i Niall R. Tanveera, Petera Laursena i Rohana B. Naidu, Charlotte A. Mason, Meghana Kelly, Entai Jung, Tiger Yu-Yang Hsiao, Abdul Rauf, Dan Kuo, Pablo Arrabal Haro, Steven L. Finkelstein i syn Toft.

Duńska część badań jest finansowana przez Duńską Narodową Fundację Badań i Fundację Carlsberga.