Το διαστημικό τηλεσκόπιο Webb βρίσκει γαλαξίες που αψηφούν τις αστρονομικές θεωρίες

Μεταγενέστερες παρατηρήσεις στο σμήνος της Πανδώρας επιβεβαίωσαν την ύπαρξη του δεύτερου και του τέταρτου πιο απομακρυσμένου γαλαξία ποτέ, μεγαλύτερους από άλλους γαλαξίες που βρέθηκαν σε τόσο ακραίες αποστάσεις.

Ο δεύτερος και ο τέταρτος πιο μακρινός γαλαξίες που ανακαλύφθηκαν ποτέ ανακαλύφθηκαν σε μια περιοχή του διαστήματος γνωστή ως το σμήνος της Πανδώρας ή Abell 2744, χρησιμοποιώντας δεδομένα από… NASA‘μικρό Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST). Σε μια επακόλουθη εικόνα σε βάθος πεδίου της περιοχής (βλ. εικόνα παρακάτω), μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τους ερευνητές του Penn State επιβεβαίωσε την απόσταση αυτών των αρχαίων γαλαξιών και συνήγαγε τις ιδιότητές τους χρησιμοποιώντας νέα φασματοσκοπικά δεδομένα – πληροφορίες σχετικά με το φως που εκπέμπεται σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα – από JWST. Περίπου 33 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αυτοί οι απίστευτα μακρινοί γαλαξίες προσφέρουν μια εικόνα για το πώς σχηματίστηκαν οι πρώτοι γαλαξίες.

Μοναδική εμφάνιση και σημασία

Σε αντίθεση με άλλους επιβεβαιωμένους γαλαξίες σε αυτή την απόσταση, οι οποίοι εμφανίζονται στις εικόνες ως κόκκινες κουκκίδες, οι νέοι γαλαξίες είναι μεγαλύτεροι και φαίνονται σαν ένα φιστίκι και μια χνουδωτή μπάλα, σύμφωνα με τους ερευνητές. Ένα χαρτί που περιγράφει τους γαλαξίες εμφανίζεται σήμερα (13 Νοεμβρίου) στο περιοδικό Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού.

Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι υπάρχουν 50.000 εγγύς υπέρυθρες πηγές φωτός που αναπαριστώνται σε αυτή την εικόνα βαθέων πεδίων του σμήνους Πανδώρας από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA. Το φως του διένυσε διάφορες αποστάσεις για να φτάσει στους ανιχνευτές του τηλεσκοπίου, αντιπροσωπεύοντας την απεραντοσύνη του διαστήματος σε μία εικόνα. Πιστώσεις: Επιστήμη: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ), Επεξεργασία εικόνας: Alyssa Pagan (STScI)

«Πολύ λίγα είναι γνωστά για το πρώιμο σύμπαν και ο μόνος τρόπος για να μάθουμε για εκείνη την εποχή και να δοκιμάσουμε τις θεωρίες μας σχετικά με το σχηματισμό γαλαξιών και την πρώιμη ανάπτυξη είναι μέσω αυτών των πολύ μακρινών γαλαξιών», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας Bingyi Wang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Πενσυλβάνια. Eberly State College of Science και μέλος του Ομάδα JWST UNCOVER (Παρατηρήσεις Ultradeep NIRSpec και NIRCam πριν από την εποχή του επαναιονισμού) που διεξήγαγε την έρευνα. «Πριν από την ανάλυσή μας, γνωρίζαμε μόνο τρεις επιβεβαιωμένους γαλαξίες σε αυτή την ακραία απόσταση. Η μελέτη αυτών των νέων γαλαξιών και των ιδιοτήτων τους έχει αποκαλύψει την ποικιλομορφία των γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν και πόσα πολλά μπορούν να μάθουμε από αυτούς.

Πληροφορίες για το πρώιμο σύμπαν

Επειδή το φως από αυτούς τους γαλαξίες χρειάστηκε να ταξιδέψει πολύ για να φτάσει στη Γη, παρέχει ένα παράθυρο στο παρελθόν. Η ερευνητική ομάδα εκτιμά ότι το φως που ανακαλύφθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb εκπέμπεται από τους δύο γαλαξίες όταν το σύμπαν ήταν περίπου 330 εκατομμυρίων ετών και ταξίδεψε περίπου 13,4 δισεκατομμύρια έτη φωτός για να φτάσει στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Αλλά οι ερευνητές είπαν ότι οι γαλαξίες βρίσκονται αυτή τη στιγμή πιο κοντά στα 33 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη λόγω της διαστολής του σύμπαντος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

«Το φως από αυτούς τους γαλαξίες είναι αρχαίο, περίπου τρεις φορές παλαιότερο από τη Γη», είπε ο Joel Lyja, επίκουρος καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State και μέλος του UNCOVER. “Αυτοί οι πρώτοι γαλαξίες είναι σαν φάροι, το φως που εκρήγνυται μέσα από το πολύ λεπτό αέριο υδρογόνο που αποτελούσε το πρώιμο σύμπαν. Μόνο μέσω του φωτός τους μπορούμε να αρχίσουμε να κατανοούμε την παράξενη φυσική που κυβέρνησε τον γαλαξία κοντά στην κοσμική αυγή.”

Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, οι επιστήμονες ανακάλυψαν δύο μακρινούς γαλαξίες στο σμήνος της Πανδώρας, παρέχοντας νέες γνώσεις για το πρώιμο σύμπαν. Αυτοί οι γαλαξίες, μοναδικοί σε μέγεθος και εμφάνιση, προκαλούν την κατανόησή μας για τον σχηματισμό των γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν. Πίστωση: NASA

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι δύο γαλαξίες είναι πολύ μεγαλύτεροι από τους τρεις προηγουμένως υπάρχοντες γαλαξίες σε αυτές τις μεγάλες αποστάσεις. Το ένα είναι τουλάχιστον έξι φορές μεγαλύτερο και έχει διάμετρο περίπου 2.000 έτη φωτός. Για σύγκριση, Γαλαξίας Ο γαλαξίας έχει διάμετρο περίπου 100.000 έτη φωτός, αλλά ο Wang πιστεύει ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν πολύ συμπαγές, επομένως είναι εκπληκτικό ότι ο γαλαξίας θα μπορούσε να είναι τόσο μεγάλος.

“Οι γαλαξίες που ανακαλύφθηκαν προηγουμένως σε αυτές τις αποστάσεις είναι σημειακές πηγές. Εμφανίζονται ως μια κουκκίδα στις εικόνες μας”, είπε ο Wang. “Αλλά το ένα από τα δικά μας φαίνεται επίμηκες, σχεδόν σαν φιστίκι, και το άλλο μοιάζει με μια λεπτή μπάλα. Δεν είναι σαφές εάν η διαφορά στο μέγεθος οφείλεται στο πώς σχηματίστηκαν τα αστέρια ή τι συνέβη με αυτά μετά τη δημιουργία τους, αλλά η ποικιλομορφία Οι ιδιότητες των γαλαξιών είναι πραγματικά ενδιαφέρουσες Είναι Αυτοί οι πρώτοι γαλαξίες αναμένεται να έχουν σχηματιστεί από παρόμοια υλικά, αλλά ήδη δείχνουν σημάδια ότι είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους.

Μεθοδολογία Έρευνας

Οι δύο γαλαξίες ήταν μεταξύ 60.000 πηγών φωτός στο σμήνος Πανδώρα που ανακαλύφθηκαν σε μία από τις πρώτες εικόνες σε βάθος πεδίου που λήφθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb το 2022, το πρώτο έτος των επιστημονικών επιχειρήσεων. Αυτή η περιοχή του διαστήματος επιλέχθηκε εν μέρει επειδή βρίσκεται πίσω από πολλά σμήνη γαλαξιών που δημιουργούν ένα φυσικό φαινόμενο μεγέθυνσης που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Η βαρυτική δύναμη της συνδυασμένης μάζας των σμηνών παραμορφώνει τον χώρο γύρω τους, εστιάζοντας και ενισχύοντας κάθε φως που περνά κοντά τους και παρέχοντας μια μεγεθυμένη θέα πίσω από τα σμήνη.

Μέσα σε μήνες, η ομάδα UNCOVER περιόρισε τις 60.000 πηγές φωτός σε 700 υποψήφιους για περαιτέρω μελέτη, οκτώ από τους οποίους πίστευαν ότι θα μπορούσαν να είναι μεταξύ των πρώτων γαλαξιών. Στη συνέχεια, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb έδειξε ξανά το σμήνος της Πανδώρας, καταγράφοντας τα φάσματα των υποψηφίων, ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματος που περιγράφει λεπτομερώς την ποσότητα του φωτός που εκπέμπεται σε κάθε μήκος κύματος.

“Πολλές διαφορετικές ομάδες χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους για να αναζητήσουν αυτούς τους αρχαίους γαλαξίες, ο καθένας με τα δικά του πλεονεκτήματα και αδυναμίες”, είπε ο Leija. “Το γεγονός ότι στρέφουμε αυτόν τον γιγάντιο μεγεθυντικό φακό στο διάστημα μας δίνει ένα απίστευτα βαθύ παράθυρο, αλλά είναι ένα πολύ μικρό παράθυρο, οπότε ρίχναμε τα ζάρια. Πολλοί από τους υποψήφιους δεν είχαν καταλήξει, και τουλάχιστον ένας από αυτούς ήταν μια περίπτωση λανθασμένης ταυτότητας. Ήταν κάτι πολύ πιο κοντινό.” “Προομοιώνει έναν μακρινό γαλαξία. Αλλά ήμασταν τυχεροί, και δύο από αυτούς αποδείχθηκαν ότι ήταν αυτοί οι αρχαίοι γαλαξίες. Είναι απίστευτο.”

Ιδιότητες και αποτελέσματα

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης λεπτομερή μοντέλα για να συμπεράνουν τις ιδιότητες αυτών των πρώιμων γαλαξιών όταν εξέπεμψαν φως που ανιχνεύθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Όπως περίμεναν οι ερευνητές, οι δύο γαλαξίες ήταν νέοι, είχαν λίγο μέταλλο στη σύνθεσή τους, αυξάνονταν γρήγορα και σχημάτιζαν ενεργά αστέρια.

«Τα πρώτα στοιχεία σχηματίστηκαν στους πυρήνες των πρώιμων άστρων μέσω της διαδικασίας σύντηξης», είπε ο Lyga. “Είναι λογικό ότι αυτοί οι πρώτοι γαλαξίες δεν είχαν βαριά στοιχεία όπως μέταλλα επειδή ήταν από τα πρώτα εργοστάσια που κατασκεύασαν αυτά τα βαριά στοιχεία. Φυσικά, θα έπρεπε να είναι νέοι και να σχηματίζουν αστέρια για να είναι οι πρώτοι γαλαξίες, αλλά επιβεβαιώνοντας Αυτές οι ιδιότητες είναι μια σημαντική θεμελιώδης δοκιμή των μοντέλων μας και βοηθά στην επιβεβαίωση του πλήρους μοντέλου των γαλαξιών. η μεγάλη έκρηξη θεωρία.”

Σε συνδυασμό με τον βαρυτικό φακό, τα ισχυρά υπέρυθρα όργανα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύουν γαλαξίες σε μεγαλύτερη απόσταση, αν υπάρχουν, σημείωσαν οι ερευνητές.

«Είχαμε ένα πολύ μικρό παράθυρο σε αυτήν την περιοχή και δεν παρατηρήσαμε τίποτα έξω από αυτούς τους δύο γαλαξίες, παρόλο που το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb έχει την ικανότητα», είπε ο Leija. “Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι οι γαλαξίες δεν σχηματίστηκαν πριν από τότε και ότι δεν θα βρίσκαμε τίποτα πιο μακριά. Ή μπορεί να σημαίνει ότι απλά δεν ήμασταν αρκετά τυχεροί λόγω του μικρού μας παραθύρου.”

Αυτή η εργασία ήταν το αποτέλεσμα μιας επιτυχημένης πρότασης που υποβλήθηκε στη NASA, η οποία πρότεινε πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους επιστημονικής λειτουργίας του. Στους τρεις πρώτους γύρους υποβολών, η NASA έλαβε τέσσερις έως δέκα φορές περισσότερες προτάσεις από ό,τι θα επέτρεπε ο διαθέσιμος χρόνος παρατήρησης στο τηλεσκόπιο και έπρεπε να επιλέξει μόνο ένα μέρος αυτών των προτάσεων.

«Η ομάδα μας ήταν πολύ ενθουσιασμένη και λίγο έκπληκτη όταν έγινε αποδεκτή η πρότασή μας», είπε ο Leija. «Περιλάμβανε συντονισμό, γρήγορη ανθρώπινη δράση και στροφή του τηλεσκοπίου στο ίδιο αντικείμενο δύο φορές, κάτι που είναι πολύ να ζητάμε από ένα τηλεσκόπιο τον πρώτο χρόνο του. Υπήρχε μεγάλη πίεση γιατί είχαμε μόνο λίγους μήνες για να αποφασίσουμε ποια πράγματα Αλλά δημιουργήθηκε Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb εργάζεται για να βρει αυτούς τους πρώτους γαλαξίες, και είναι πολύ συναρπαστικό να το κάνουμε τώρα.

Αναφορά: «Ανίχνευση: Ρίχνοντας Φως στο Πρώιμο Σύμπαν — JWST/NIRSpec Confirmation of z>12 Galaxy» από τους 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. Price, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Γκριν, Υ. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker και Christina C. Williams, 13 Νοεμβρίου 2023, Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Εκτός από το Penn State, η ομάδα περιλαμβάνει ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne στην Αυστραλία, το Πανεπιστήμιο Ben Gurion του Negev στο Ισραήλ και το Ben Gurion University of the Negev στο Ισραήλ. Πανεπιστήμιο YaleΠανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στη Γαλλία, Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στη Δανία, Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, Πανεπιστήμιο του Χρόνινγκεν στην Ολλανδία, πανεπιστήμιο ΠρίνσετονΠανεπιστήμιο Waseda στην Ιαπωνία, Πανεπιστήμιο Tufts και το Εθνικό Εργαστήριο για την Έρευνα Οπτικής και Υπέρυθρης Αστρονομίας (NOIR).

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από τη NASA, το Ίδρυμα ΗΠΑ-Ισραήλ Bi-Science, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Υπουργείο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ισραήλ, το Εθνικό Κέντρο Διαστημικών Μελετών της Γαλλίας, το Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο Γεωεπιστημών και Αστρονομίας και την Έρευνα Κέντρο. Το Ίδρυμα για την Προώθηση της Επιστήμης, το Ολλανδικό Συμβούλιο Έρευνας, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή και το Πανεπιστήμιο του Groningen σε κοινή χρηματοδότηση του προγράμματος Rosalind Franklin, του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας και του Εργαστηρίου NOIR.