Космическият телескоп Webb открива галактики, които се противопоставят на астрономическите теории

Съществуването на втората и четвъртата най-отдалечени галактики, регистрирани някога (UNCOVER z-13 и UNCOVER z-12) е потвърдено с помощта на близката инфрачервена камера (NIRCam) на космическия телескоп Джеймс Уеб. Галактиките са разположени в клъстера Пандора (Abell 2744) и са показани тук като дължини на вълната на светлината в близки инфрачервени лъчи, преведени в цветовете на видимата светлина. Изображението на основния клъстер е мащабирано в дъгови секунди, мярка за ъглово разстояние в небето. Кръговете в черно-белите изображения, показващи галактики в обхвата на филтъра NIRCam-F277W на борда на телескопа James Webb, показват размер на апертурата от 0,32 дъгови секунди. Източник: Клъстерно изображение: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Вмъквания: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Синтез: Danny Ziemba/Penn State

Последвалите наблюдения в клъстера Пандора потвърдиха съществуването на втората и четвъртата най-отдалечени галактики, по-големи от други галактики, открити на такива екстремни разстояния.

Втората и четвъртата най-отдалечени галактики, откривани някога, бяха открити в регион на космоса, известен като клъстера Пандора или Abell 2744, използвайки данни от… НАСА‘с Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST). В последващо дълбоко полево изображение на региона (вижте изображението по-долу), международен екип, ръководен от изследователи от Penn State, потвърди разстоянието на тези древни галактики и изведе техните свойства, използвайки нови спектроскопски данни – информация за светлината, излъчвана през електромагнитния спектър – от JWST. Отдалечени на около 33 милиарда светлинни години, тези невероятно далечни галактики предлагат представа за това как са се образували първите галактики.

Уникален външен вид и значимост

За разлика от други потвърдени галактики на това разстояние, които се появяват на изображения като червени точки, новите галактики са по-големи и изглеждат като фъстък и пухкава топка, според изследователите. Документ, описващ галактиките, се появява днес (13 ноември) в списанието Astrophysical Journal Letters.

Астрономите изчисляват, че има 50 000 източника на близка инфрачервена светлина, представени в това изображение с дълбоко поле на клъстера Пандора от космическия телескоп Джеймс Уеб на НАСА. Светлината му измина различни разстояния, за да достигне детекторите на телескопа, представяйки необятността на космоса в едно изображение. С уважение към: Наука: НАСА, ESA, CSA, Иво Лапе (Суинбърн), Рейчъл Безансън (Университет на Питсбърг), Обработка на изображения: Алиса Паган (STScI)

„Много малко се знае за ранната вселена и единственият начин да научим за това време и да тестваме нашите теории за формирането и ранния растеж на галактиките е чрез тези много далечни галактики“, каза първият автор Bingyi Wang, постдокторантски изследовател в Университета на Пенсилвания. Eberly State College of Science и член на Екип на JWST UNCOVER (Ultradeep NIRSpec и NIRCam наблюдения преди ерата на реионизация) който проведе изследването. „Преди нашия анализ знаехме само за три потвърдени галактики на това изключително разстояние. Изучаването на тези нови галактики и техните свойства разкри разнообразието от галактики в ранната вселена и колко много може да се научи от тях.

Прозрения за ранната вселена

Тъй като светлината от тези галактики трябваше да пътува дълго време, за да достигне Земята, тя предоставя прозорец в миналото. Изследователският екип изчислява, че светлината, открита от космическия телескоп Джеймс Уеб, е била излъчена от двете галактики, когато Вселената е била на около 330 милиона години, и е изминала около 13,4 милиарда светлинни години, за да достигне до космическия телескоп Джеймс Уеб. Но изследователите казаха, че в момента галактиките са по-близо до 33 милиарда светлинни години от Земята поради разширяването на Вселената през този период.

„Светлината от тези галактики е древна, около три пъти по-стара от Земята“, каза Джоел Лига, доцент по астрономия и астрофизика в Penn State и член на UNCOVER. „Тези ранни галактики са като фарове, светлината пробива през много тънкия водороден газ, съставляващ ранната вселена. Само чрез тяхната светлина можем да започнем да разбираме странната физика, управлявала галактиката близо до космическата зора.“

Използвайки космическия телескоп Джеймс Уеб, учените откриха две далечни галактики в клъстера Пандора, предоставяйки нови прозрения за ранната вселена. Тези галактики, уникални по размер и вид, предизвикват нашето разбиране за образуването на галактики в ранната вселена. Кредит: НАСА

Струва си да се отбележи, че двете галактики са много по-големи от трите съществуващи преди това галактики на тези големи разстояния. Едната е най-малко шест пъти по-голяма и е около 2000 светлинни години в диаметър. За сравнение, млечен път Диаметърът й е около 100 000 светлинни години, но Уанг каза, че се смята, че ранната вселена е била много компактна, така че е изненадващо, че галактиката може да е толкова голяма.

„Галактики, открити преди това на тези разстояния, са точкови източници. Те се появяват като точка в нашите изображения“, каза Уанг. „Но едната от нашите изглежда удължена, почти като фъстък, а другата изглежда като тънка топка. Не е ясно дали разликата в размера се дължи на това как са се образували звездите или какво се е случило с тях, след като са се образували, но разнообразието в свойствата на галактиките са наистина интересни. Очаква се тези ранни галактики да са се образували от подобни материали, но те вече показват признаци, че са много различни една от друга.

методология на изследването

Двете галактики бяха сред 60 000 източника на светлина в клъстера Пандора, открити в едно от първите изображения с дълбоко поле, направени от космическия телескоп Джеймс Уеб през 2022 г., първата година на научните операции. Този регион от пространството е избран отчасти, защото се намира зад много галактически купове, които създават естествен ефект на увеличение, наречен гравитационни лещи. Гравитационната сила на комбинираната маса на клъстерите изкривява пространството около тях, като фокусира и усилва всяка светлина, която преминава близо до тях и осигурява увеличен изглед зад клъстерите.

В рамките на месеци екипът на UNCOVER стеснява 60 000 източника на светлина до 700 кандидати за последващо проучване, осем от които смятат, че могат да бъдат сред първите галактики. След това космическият телескоп на Джеймс Уеб отново се насочи към клъстера Пандора, записвайки спектрите на кандидатите, един вид пръстов отпечатък, който подробно описва количеството светлина, излъчено при всяка дължина на вълната.

„Няколко различни екипа използват различни методи за търсене на тези древни галактики, всяка със своите силни и слаби страни“, каза Лейджа. „Фактът, че насочваме тази гигантска лупа в космоса, ни дава невероятно дълбок прозорец, но това е много малък прозорец, така че хвърляхме заровете. Много от кандидатите бяха неубедителни и поне един от тях беше случай на погрешна самоличност. Беше нещо много по-близко.“ „Симилира далечна галактика. Но имахме късмет и две от тях се оказаха тези древни галактики. Това е невероятно.“

Свойства и ефекти

Изследователите също така са използвали подробни модели, за да изведат свойствата на тези ранни галактики, когато са излъчвали светлина, открита от космическия телескоп Джеймс Уеб. Както очакваха изследователите, двете галактики бяха млади, имаха малко метал в състава си, растяха бързо и активно образуваха звезди.

„Първите елементи са се образували в ядрата на ранните звезди чрез процеса на синтез“, каза Лия. „Разумно е, че тези ранни галактики не са имали тежки елементи като метали, защото те са били сред първите фабрики за изграждане на тези тежки елементи. Разбира се, те трябва да са млади и да формират звезди, за да бъдат първите галактики, но потвърждавайки, че тези свойства са важен фундаментален тест на нашите модели и помагат за потвърждаване на пълния модел на галактиките. голямата експлозия теория.“

Изследователите отбелязват, че заедно с гравитационните лещи, мощните инфрачервени инструменти на космическия телескоп James Webb трябва да могат да откриват галактики на по-далечно разстояние, ако съществуват.

„Имахме много малък прозорец в този регион и не наблюдавахме нищо извън тези две галактики, въпреки че космическият телескоп на Джеймс Уеб има тази възможност“, каза Лея. „Това може да означава, че галактиките не са се образували преди това и че няма да открием нищо по-далече. Или може да означава, че просто не сме имали достатъчно късмет заради нашия малък прозорец.“

Тази работа е резултат от успешно предложение, представено на НАСА, което предлага как космическият телескоп Джеймс Уеб може да бъде използван през първата му година на научни операции. В първите три кръга от подаване НАСА получи четири до десет пъти повече предложения, отколкото би позволило наличното време за наблюдение на телескопа, и трябваше да избере само част от тези предложения.

„Нашият екип беше много развълнуван и малко изненадан, когато предложението ни беше прието“, каза Лейя. „Включваше координация, бързи човешки действия и насочване на телескопа към един и същ обект два пъти, което е много да се изисква от телескоп през първата му година. Имаше голям натиск, защото имахме само няколко месеца, за да решим какви неща Но той е създаден Космическият телескоп Джеймс Уеб работи за намирането на тези първи галактики и е много вълнуващо да го направим сега.

Справка: „Откриване: Хвърляне на светлина върху ранната вселена — JWST/NIRSpec потвърждение на галактика z>12“ от Бенджи Уанг, 冰洁王, Сейджи Фуджимото, Иво Лапе, Лукас Дж. Фуртак, Тим Б. Милър, Дейвид Дж. Ситън, Ади Зиттрейн, Хаким Атик, Рейчъл Безансон, Габриел Брамер, Джоел Леха, Паскал А. Ош, Седона Х. Прайс, Ирина Чемеринска, Сам Е. Кътлър, Пратика Даял, Питър ван Докум, Анди де Голдинг, Джени Е. Грийн, Й. . Водамото, Гаурав Хулар, Василий Кокорев, Данило Маркесини, Ричард Пан, Джон Р. Уивър, Катрин Е. Уитакър и Кристина С. Уилямс, 13 ноември 2023 г., Astrophysical Journal Letters.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

В допълнение към Penn State, екипът включва изследователи от Тексаския университет в Остин, Технологичния университет Суинбърн в Австралия, Университета Бен Гурион в Негев в Израел и Университета Бен Гурион в Негев в Израел. Йейлския университетУниверситет на Питсбърг, Университет Сорбона във Франция, Университет на Копенхаген в Дания, Университет на Женева в Швейцария, Университет на Масачузетс, Университет на Гронинген в Холандия, Принстънския университетУниверситетът Васеда в Япония, Университетът Туфтс и Националната лаборатория за оптични и инфрачервени астрономически изследвания (NOIR).

Тази работа беше подкрепена от НАСА, Американско-израелската двойна научна фондация, Националната научна фондация на САЩ, Министерството на науката и технологиите на Израел, Френския национален център за космически изследвания, Френския национален институт по геонауки и астрономия и Центъра de la Recherche. Фондацията за напредък на науката, Нидерландският съвет за научни изследвания, Европейската комисия и Университета в Гронинген при съвместно финансиране на програмата Розалинд Франклин, Националната астрономическа обсерватория на Япония и лабораторията NOIR.