“Cosmic Lighthouses” – Webb onthult de geheimen van het eerste licht van het universum

Baanbrekende waarnemingen met de James Webb Space Telescope onthullen de cruciale rol van sterrenstelsels met een lage massa in de reïonisatie van het vroege heelal, waardoor bestaande theorieën over kosmische evolutie ter discussie worden gesteld.

Wetenschappers die met gegevens van NASA's James Webb Space Telescope (JWST) werken, hebben de eerste volledige spectra verkregen van een deel van het oudste sterlicht in het universum. De beelden geven het duidelijkste beeld tot nu toe van pasgeboren sterrenstelsels met een zeer lage massa, die minder dan een miljard jaar na de oerknal ontstonden, en suggereren dat jonge sterrenstelsels een centrale rol spelen in het verhaal van de kosmische oorsprong.

Het internationale team van onderzoekers, waaronder twee astrofysici uit Penn State, publiceerde onlangs hun bevindingen in het tijdschrift natuur. De spectra onthullen een deel van het eerste zichtbare licht uit een periode in het universum die bekend staat als reionisatie en die werd aangewakkerd door de komst van de eerste sterren en sterrenstelsels.

Diepveldbeelden gemaakt door NASA's James Webb Space Telescope hebben de eerste glimpen opgeleverd van extreem zwakke sterrenstelsels die onderzoekers hebben geïdentificeerd als sterke kandidaten voor objecten die de reïonisatie van het universum hebben veroorzaakt. Bron afbeelding: Hakim Atiq/Sorbonne Universiteit/JWST

Het oorspronkelijke universum: de overgang van duisternis naar licht

Normale materie in het universum begon als een hete, dichte mist die bijna volledig uit waterstof- en heliumkernen bestond, legt Joel Lyga uit, een assistent-professor in de astronomie en astrofysica aan Penn State en een auteur op het papier. Terwijl het uitbreidde en afkoelde, begonnen individuele protonen en elektronen zich te binden, waardoor voor het eerst neutraal waterstof werd gevormd. Ongeveer 500 tot 900 miljoen jaar later de grote explosieNeutraal waterstof – dat de overhand had in het vroege heelal – begon zich weer te scheiden in geïoniseerd gas, waardoor de vorming van sterren en sterrenstelsels werd gestimuleerd en de oermist werd opgetrokken, zodat licht voor het eerst ongehinderd door het universum kon reizen.

“Er werd iets geactiveerd en begon fotonen met zeer hoge energie in de leegte tussen sterrenstelsels te pompen”, zei Lyga. “Deze bronnen fungeerden als kosmische bakens die de neutrale waterstofmist verbrandden. Wat dit ook was, het was zo energiek en hardnekkig dat het hele universum opnieuw geïoniseerd werd.”

Pioniers van sterrenstelsels: de rol van sterrenstelsels met een lage massa

Door de spectra van kleine sterrenstelsels met een lage massa te analyseren, hebben wetenschappers aangetoond dat kleine sterrenstelsels sterke kandidaten zijn voor het ‘ding’ dat het universum opnieuw ioniseert door het dichte oergas eromheen te verwarmen en het voorheen neutrale waterstof te ioniseren.

“Als andere sterrenstelsels met een lage massa in het universum net zo gewoon en levendig zijn als deze, dan denken we dat we eindelijk bij de bakens zijn aangekomen die de kosmische mist hebben afgebrand”, zei Lyga. ‘Het waren ongelooflijk actieve sterren in heel veel kleine sterrenstelsels.’

Leija voegde eraan toe dat de meerderheid van de sterrenstelsels in het vroege heelal naar verwachting relatief klein zullen zijn, wat het bestuderen van hun frequentie en eigenschappen erg moeilijk maakt. Dankzij een technologische doorbraak die mogelijk is gemaakt door de unieke combinatie van de gevoeligheid van de James Webb Ruimtetelescoop en het zwaartekrachtlenseffect van de Abell-cluster 2744 – nabije sterrenstelsels die als kosmische vergrootglazen werken, de ruimte vervormen en het licht van achtergrondstelsels versterken – Het is nu mogelijk om binnen een miljard jaar de overvloed aan kleine sterrenstelsels en hun ioniserende eigenschappen te bepalen, voor het eerst in het heelal.

“We ontdekten dat het aantal kleine sterrenstelsels honderd tegen één groter is dan het aantal massieve sterrenstelsels tijdens dit tijdperk van reïonisatie van het heelal,” zegt Hakim Atiq, astrofysicus aan de Sorbonne Universiteit, onderzoeker aan het Parijse Instituut voor Astrofysica en eerste auteur van het artikel. zei in een persbericht. “Deze nieuwe waarnemingen laten ook zien dat deze kleine sterrenstelsels een grote hoeveelheid ioniserende fotonen produceerden, die vier keer de fundamentele waarden overschreed die normaal worden aangenomen voor verre sterrenstelsels. Dit betekent dat de totale stroom van ioniserende fotonen die door deze sterrenstelsels worden uitgezonden de vereiste drempel ver overschrijdt. voor reionisatie.”

Kosmische evolutie in kaart brengen: toekomstige richtingen

Het Penn State-team leidde de modellering voor de UNCOVER-enquête, die zich richtte op de grote cluster van sterrenstelsels op de voorgrond die kleinere, verder weg gelegen sterrenstelsels in beeld bracht. Onderzoekers van Penn State analyseerden alle kleine lichtpuntjes in de scan om de eigenschappen van het object, de massa en de waarschijnlijke afstanden te begrijpen. Deze analyse werd vervolgens gebruikt als leidraad voor de meer gedetailleerde JWST-observaties die tot deze ontdekking leidden, legde Lija uit.

Voorafgaand aan deze resultaten waren er een aantal hypothesen die andere bronnen identificeerden die verantwoordelijk zijn voor kosmische reïonisatie, zoals superzware zwarte gaten; Grote sterrenstelsels met een massa van meer dan een miljard zonsmassa's; En kleine sterrenstelsels met een massa van minder dan een miljard zonsmassa's. De onderzoekers zeiden dat het bevestigen van de hypothese met betrekking tot sterrenstelsels met een lage massa bijzonder moeilijk is gebleken, gezien hun lage helderheid, maar de nieuwe resultaten leveren het duidelijkste bewijs tot nu toe dat sterrenstelsels met een lage massa een centrale rol speelden bij het reïoniseren van het universum.

De onderzoekers willen het onderzoek nu uitbreiden naar een grotere schaal om ervoor te zorgen dat de specifieke locatie die ze hebben geanalyseerd de gemiddelde verdeling van sterrenstelsels in het universum vertegenwoordigt. Naast het reïonisatieproces geven hun waarnemingen inzicht in het proces van vroege stervorming, hoe sterrenstelsels uit primordiaal gas zijn ontstaan ​​en hoe ze zijn geëvolueerd tot het universum dat we vandaag de dag kennen.

Referentie: “De meeste fotonen die het universum reïoniseerden, kwamen van dwergstelsels” door Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Wever, Gabriël Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Groen, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich en Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara en Daniel B. Stark, Mauro Stefanone en Katherine A. Suss, Bingjie Wang en Catherine E. Whitaker, 28 februari 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, een postdoctoraal onderzoeker in de astrofysica, is de andere co-auteur van de studie uit Penn State. Een volledige lijst van auteurs en hun instellingen is beschikbaar op het gepubliceerde artikel. De onderzoekers erkennen financiering en steun van het Franse Nationale Centrum voor Ruimtestudies, het Nationale Programma voor Kosmologie en Sterrenstelsels, de CEA, het Cosmic Dawn Centre, de Deense Nationale Onderzoeksstichting, de Australian Research Council, NOW, het Rosalind Franklin-programma van de Gemeenschappelijk Fonds van de Europese Commissie en de Rijksuniversiteit Groningen. US-Israel National Science Foundation, US National Science Foundation (NSF), Ministerie van Wetenschap en Technologie, Israël en NOIRLabHet wordt beheerd door het Consortium van Universiteiten voor Onderzoek in Astronomie in het kader van een samenwerkingsovereenkomst met NSF.