Webb Space Telescope vindt sterrenstelsels die astronomische theorieën tarten

Het bestaan ​​van de tweede en vierde meest verre sterrenstelsels ooit geregistreerd (UNCOVER z-13 en UNCOVER z-12) is bevestigd met behulp van de nabij-infraroodcamera van de James Webb Space Telescope (NIRCam). De sterrenstelsels bevinden zich in de Pandora-cluster (Abell 2744) en worden hier weergegeven als nabij-infrarode golflengten van licht, vertaald in de kleuren van zichtbaar licht. Het hoofdclusterbeeld is geschaald in boogseconden, een maatstaf voor de hoekafstand aan de hemel. De cirkels in de zwart-witafbeeldingen, die sterrenstelsels tonen in het bereik van het NIRCam-F277W-filter aan boord van de James Webb-telescoop, geven een openingsgrootte van 0,32 boogseconden aan. Bron: Clusterafbeelding: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Bijlagen: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Synthese: Danny Ziemba/Penn State

Daaropvolgende waarnemingen in de Pandora-cluster bevestigden het bestaan ​​van de tweede en vierde meest verre sterrenstelsels ooit, groter dan andere sterrenstelsels die op zulke extreme afstanden worden aangetroffen.

De tweede en vierde meest verre sterrenstelsels die ooit zijn ontdekt, zijn ontdekt in een gebied in de ruimte dat bekend staat als de Pandora-cluster, of Abell 2744, met behulp van gegevens van… NASA‘S James Webb-ruimtetelescoop (JWST). In een vervolgopname in een diep veld van de regio (zie afbeelding hieronder) bevestigde een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Penn State de afstand van deze oude sterrenstelsels en leidde hun eigenschappen af ​​met behulp van nieuwe spectroscopische gegevens – informatie over licht dat over het elektromagnetische spectrum wordt uitgezonden – van JWST. Op een afstand van ongeveer 33 miljard lichtjaar bieden deze ongelooflijk verre sterrenstelsels inzicht in hoe de eerste sterrenstelsels ontstonden.

Unieke uitstraling en betekenis

In tegenstelling tot andere bevestigde sterrenstelsels op deze afstand, die in afbeeldingen verschijnen als rode stippen, zijn de nieuwe sterrenstelsels groter en zien ze eruit als een pinda en een donzige bal, aldus de onderzoekers. Een artikel waarin de sterrenstelsels worden beschreven, verschijnt vandaag (13 november) in het tijdschrift Astrofysische dagboekbrieven.

Astronomen schatten dat er 50.000 nabij-infraroodlichtbronnen vertegenwoordigd zijn in deze diepe veldopname van de Pandora-cluster, gemaakt door NASA’s James Webb-ruimtetelescoop. Het licht legde verschillende afstanden af ​​om de detectoren van de telescoop te bereiken, waardoor de uitgestrektheid van de ruimte in één beeld werd weergegeven. Credit: Wetenschap: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Universiteit van Pittsburgh), Beeldverwerking: Alyssa Pagan (STScI)

“Er is heel weinig bekend over het vroege heelal, en de enige manier om over die tijd te leren en onze theorieën over de vorming van sterrenstelsels en de vroege groei te testen is door middel van deze zeer verre sterrenstelsels”, zegt eerste auteur Bingyi Wang, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van New York. Pennsylvania. Eberly State College of Science en lid van JWST UNCOVER Team (Ultradeep NIRSpec- en NIRCam-observaties vóór het reionisatietijdperk) die het onderzoek heeft uitgevoerd. “Vóór onze analyse kenden we slechts drie bevestigde sterrenstelsels op deze extreme afstand. Het bestuderen van deze nieuwe sterrenstelsels en hun eigenschappen heeft de diversiteit van sterrenstelsels in het vroege heelal onthuld en hoeveel we van hen kunnen leren.

Inzichten in het vroege heelal

Omdat het licht van deze sterrenstelsels een lange tijd heeft moeten reizen om de aarde te bereiken, biedt het een venster op het verleden. Het onderzoeksteam schat dat het door de James Webb Ruimtetelescoop ontdekte licht uit de twee sterrenstelsels werd uitgezonden toen het heelal ongeveer 330 miljoen jaar oud was, en ongeveer 13,4 miljard lichtjaar heeft afgelegd om de James Webb Ruimtetelescoop te bereiken. Maar de onderzoekers zeiden dat de sterrenstelsels zich momenteel dichter bij de 33 miljard lichtjaar van de aarde bevinden als gevolg van de uitdijing van het universum in deze periode.

“Het licht van deze sterrenstelsels is oud, ongeveer drie keer ouder dan de aarde”, zegt Joel Lyja, assistent-professor astronomie en astrofysica aan Penn State en lid van UNCOVER. “Deze vroege sterrenstelsels zijn als vuurtorens; het licht barst door het zeer dunne waterstofgas waaruit het vroege universum bestond. Alleen door hun licht kunnen we de vreemde fysica beginnen te begrijpen die de melkweg beheerste in de buurt van de kosmische dageraad.”

Met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop hebben wetenschappers twee verre sterrenstelsels in de Pandora-cluster ontdekt, wat nieuwe inzichten in het vroege heelal oplevert. Deze sterrenstelsels, uniek qua omvang en uiterlijk, stellen ons begrip van de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal op de proef. Krediet: NASA

Het is vermeldenswaard dat de twee sterrenstelsels veel groter zijn dan de drie voorheen bestaande sterrenstelsels op deze grote afstanden. Eén is minstens zes keer groter en heeft een diameter van ongeveer 2000 lichtjaar. Ter vergelijking, Melkweg Het sterrenstelsel heeft een doorsnede van ongeveer 100.000 lichtjaar, maar Wang gelooft dat het vroege heelal erg compact was, dus het is verrassend dat het sterrenstelsel zo groot kon zijn.

‘Sterrenstelsels die eerder op deze afstanden zijn ontdekt, zijn puntbronnen. Ze verschijnen als een stip in onze afbeeldingen’, zegt Wang. “Maar de ene ziet er langwerpig uit, bijna als een pinda, en de andere ziet eruit als een dunne bal. Het is niet duidelijk of het verschil in grootte te wijten is aan de manier waarop de sterren gevormd zijn of wat er met ze gebeurde nadat ze gevormd waren, maar de diversiteit in De eigenschappen van sterrenstelsels zijn erg interessant. Deze vroege sterrenstelsels zijn naar verwachting gevormd uit vergelijkbare materialen, maar ze vertonen nu al tekenen dat ze erg van elkaar verschillen.

onderzoeksmethode

De twee sterrenstelsels behoorden tot de 60.000 lichtbronnen in de Pandora-cluster die werden ontdekt in een van de eerste diepveldopnamen gemaakt door de James Webb-ruimtetelescoop in 2022, het eerste jaar van wetenschappelijke operaties. Dit gebied in de ruimte is gedeeltelijk gekozen omdat het achter veel clusters van sterrenstelsels ligt die een natuurlijk vergrotingseffect creëren dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd. De zwaartekracht van de gecombineerde massa van de clusters vervormt de ruimte om hen heen, waardoor al het licht dat dichtbij hen passeert wordt gefocusseerd en versterkt, waardoor een vergroot zicht achter de clusters ontstaat.

Binnen enkele maanden heeft het UNCOVER-team de 60.000 lichtbronnen teruggebracht tot 700 kandidaten voor vervolgonderzoek, waarvan zij dachten dat er acht tot de eerste sterrenstelsels zouden kunnen behoren. Vervolgens richtte de James Webb-ruimtetelescoop opnieuw op de Pandora-cluster en registreerde de spectra van de kandidaten, een soort vingerafdruk die de hoeveelheid licht weergeeft die bij elke golflengte wordt uitgezonden.

“Verschillende teams gebruiken verschillende methoden om naar deze oude sterrenstelsels te zoeken, elk met hun eigen sterke en zwakke punten”, zei Leija. “Het feit dat we dit gigantische vergrootglas de ruimte in richten, geeft ons een ongelooflijk diep venster, maar het is een heel klein venster, dus we gooiden met de dobbelstenen. Veel van de kandidaten waren niet doorslaggevend, en minstens één ervan was een geval van een verkeerde identiteit. Het was iets dat veel dichterbij was.’ ‘Het simuleert een ver sterrenstelsel. Maar we hadden geluk, en twee ervan bleken deze oude sterrenstelsels te zijn. Het is ongelooflijk.’

Eigenschappen en effecten

De onderzoekers gebruikten ook gedetailleerde modellen om de eigenschappen van deze vroege sterrenstelsels af te leiden toen ze licht uitzonden dat werd gedetecteerd door de James Webb Space Telescope. Zoals de onderzoekers verwachtten, waren de twee sterrenstelsels jong, hadden ze weinig metaal in hun samenstelling, groeiden ze snel en vormden ze actief sterren.

‘De eerste elementen werden gevormd in de kernen van vroege sterren door het fusieproces’, zegt Lyga. “Het spreekt voor zich dat deze vroege sterrenstelsels geen zware elementen zoals metalen hadden, omdat ze tot de eerste fabrieken behoorden die deze zware elementen bouwden. Natuurlijk moesten ze jong zijn en sterren vormen om de eerste sterrenstelsels te zijn, maar dit bevestigt dat deze eigenschappen zijn een belangrijke fundamentele test van onze modellen en helpen bij het bevestigen van het volledige model van sterrenstelsels. de grote explosie theorie.”

Gecombineerd met zwaartekrachtlenzen zouden de krachtige infraroodinstrumenten van de James Webb Ruimtetelescoop sterrenstelsels op grotere afstand moeten kunnen detecteren, als ze bestaan, merkten de onderzoekers op.

“We hadden een heel klein venster in dit gebied en we hebben niets waargenomen buiten deze twee sterrenstelsels, ook al heeft de James Webb-ruimtetelescoop daartoe de mogelijkheid”, zei Leja. “Dit zou kunnen betekenen dat sterrenstelsels zich vóór die tijd niet hebben gevormd en dat we verder weg niets zouden vinden. Of het zou kunnen betekenen dat we gewoon geen geluk hadden vanwege ons kleine venster.”

Dit werk was het resultaat van een succesvol voorstel dat bij NASA werd ingediend en waarin werd voorgesteld hoe de James Webb-ruimtetelescoop zou kunnen worden gebruikt tijdens het eerste jaar van wetenschappelijke activiteiten. In de eerste drie inzendingsrondes ontving NASA vier tot tien keer meer voorstellen dan de beschikbare observatietijd op de telescoop toestond, en hoefde ze slechts een deel van die voorstellen te selecteren.

“Ons team was erg opgewonden en een beetje verrast toen ons voorstel werd aanvaard”, zei Leija. “Het vereiste coördinatie, snel menselijk handelen en het twee keer richten van de telescoop op hetzelfde object, wat veel gevraagd is van een telescoop in het eerste jaar. Er was veel druk omdat we maar een paar maanden de tijd hadden om te beslissen welke dingen we moesten doen.” Maar het is gemaakt. De James Webb Ruimtetelescoop werkt aan het vinden van deze eerste sterrenstelsels, en het is heel spannend om dat nu te doen.

Referentie: “Detectie: licht werpen op het vroege heelal – JWST/NIRSpec Bevestiging van z>12 Galaxy” door Benjie Wang, 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. Prijs, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Groen, Y. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker en Christina C. Williams, 13 november 2023, Astrofysische dagboekbrieven.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Naast Penn State bestaat het team uit onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin, de Swinburne University of Technology in Australië, de Ben Gurion Universiteit van de Negev in Israël en de Ben Gurion Universiteit van de Negev in Israël. Yale universiteitUniversiteit van Pittsburgh, Sorbonne Universiteit in Frankrijk, Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, Universiteit van Genève in Zwitserland, Universiteit van Massachusetts, Universiteit van Groningen in Nederland, Princeton UniversiteitWaseda University in Japan, Tufts University en het National Laboratory for Optical and Infrared Astronomy (NOIR) Research.

Dit werk werd ondersteund door NASA, de US-Israel Bi-Science Foundation, de US National Science Foundation, het Israëlische Ministerie van Wetenschap en Technologie, het Franse Nationale Centrum voor Ruimtestudies, het Franse Nationale Instituut voor Geowetenschappen en Astronomie, en het Onderzoeksbureau Centrum. De Foundation for the Advancement of Science, de Nederlandse Onderzoeksraad, de Europese Commissie en de Rijksuniversiteit Groningen in gezamenlijke financiering van het Rosalind Franklin-programma, het National Astronomical Observatory of Japan en het NOIR Laboratory.