Космічний телескоп Вебба знаходить галактики, які суперечать астрономічним теоріям

Подальші спостереження в скупченні Пандори підтвердили існування другої та четвертої найвіддаленіших галактик за всю історію, більших за інші галактики, знайдені на таких екстремальних відстанях.

Друга та четверта за віддаленістю галактики, які коли-небудь були виявлені, були виявлені в регіоні космосу, відомому як скупчення Пандори або Абель 2744, з використанням даних з… НАСА‘s Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST). На наступному глибокому зображенні регіону (див. зображення нижче) міжнародна група під керівництвом дослідників Пенсільванія підтвердила відстань до цих стародавніх галактик і припустила їх властивості, використовуючи нові спектроскопічні дані — інформацію про світло, що випромінюється через електромагнітний спектр — від JWST. Ці неймовірно далекі галактики, розташовані на відстані приблизно 33 мільярдів світлових років, дають змогу зрозуміти, як утворилися перші галактики.

Унікальний зовнішній вигляд і значення

На відміну від інших підтверджених галактик на такій відстані, які відображаються на зображеннях у вигляді червоних крапок, нові галактики більші й виглядають як арахіс і пухнаста кулька, за словами дослідників. Стаття з описом галактик з’являється сьогодні (13 листопада) у журналі Листи астрофізичного журналу.

За оцінками астрономів, на цьому зображенні скупчення Пандори, зробленому космічним телескопом Джеймса Вебба NASA, представлено 50 000 джерел світла в ближньому інфрачервоному діапазоні. Його світло подолало різні відстані, щоб досягти детекторів телескопа, представляючи величезний космос на одному зображенні. Авторство: Наука: NASA, ESA, CSA, Іво Лаппе (Суїнберн), Рейчел Безансон (Піттсбурзький університет), Обробка зображень: Алісса Паган (STScI)

«Дуже мало відомо про ранній Всесвіт, і єдиний спосіб дізнатися про той час і перевірити наші теорії про формування та раннє зростання галактик — через ці дуже далекі галактики», — сказав перший автор Bingyi Wang, докторант Університету ім. Пенсильванія. Державний науковий коледж Еберлі та член Команда JWST UNCOVER (спостереження Ultradeep NIRSpec і NIRCam до ери реіонізації) який проводив дослідження. “До нашого аналізу ми знали лише про три підтверджені галактики на такій екстремальній відстані. Вивчення цих нових галактик та їхніх властивостей показало різноманітність галактик у ранньому Всесвіті та те, як багато можна з них дізнатися.

Уявлення про ранній Всесвіт

Оскільки світло від цих галактик довелося довго подорожувати, щоб досягти Землі, воно відкриває вікно в минуле. Дослідницька група підрахувала, що світло, виявлене космічним телескопом Джеймса Вебба, випромінювалося з двох галактик, коли Всесвіту було приблизно 330 мільйонів років, і подолало приблизно 13,4 мільярда світлових років, щоб досягти космічного телескопа Джеймса Вебба. Але дослідники сказали, що галактики наразі ближче до 33 мільярдів світлових років від Землі через розширення Всесвіту в цей період.

«Світло від цих галактик є давнім, приблизно в три рази старше за Землю», — сказав Джоел Ліджа, доцент кафедри астрономії та астрофізики Пенсильванського університету та член UNCOVER. “Ці ранні галактики схожі на маяки, світло проривається крізь дуже тонкий водень, з якого складався ранній Всесвіт. Лише завдяки їхньому світлу ми можемо почати розуміти дивну фізику, яка керувала галактикою біля космічного світанку”.

За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба вчені виявили дві далекі галактики в скупченні Пандори, що дає змогу по-новому зрозуміти ранній Всесвіт. Ці галактики, унікальні за розміром і зовнішнім виглядом, кидають виклик нашому розумінню формування галактик у ранньому Всесвіті. Авторство: NASA

Варто зазначити, що дві галактики набагато більші за три раніше існуючі галактики на цих великих відстанях. Один принаймні в шість разів більший і має приблизно 2000 світлових років у поперечнику. Для порівняння, Чумацький шлях Галактика має приблизно 100 000 світлових років у поперечнику, але Ван вважає, що ранній Всесвіт був дуже компактним, тому дивно, що галактика могла бути такою великою.

«Галактики, раніше виявлені на цих відстанях, є точковими джерелами. На наших зображеннях вони виглядають як крапка», — сказав Ван. “Але одна з наших виглядає витягнутою, майже як арахіс, а інша виглядає як тонка кулька. Незрозуміло, чи різниця в розмірі пов’язана з тим, як утворилися зірки, чи з тим, що сталося з ними після їх формування, але різноманітність у Властивості галактик дійсно цікаві. Очікується, що ці ранні галактики сформувалися з подібних матеріалів, але вони вже виявляють ознаки сильної відмінності одна від одної.

Методологія дослідження

Ці дві галактики були одними з 60 000 джерел світла в скупченні Пандори, виявлених на одному з перших зображень глибокого поля, зроблених космічним телескопом Джеймса Вебба протягом 2022 року, першого року наукових операцій. Ця область космосу була обрана частково тому, що вона лежить за багатьма скупченнями галактик, які створюють природний ефект збільшення, який називається гравітаційним лінзуванням. Гравітаційна сила сукупної маси скупчень спотворює простір навколо них, фокусуючи та посилюючи будь-яке світло, яке проходить поблизу них, забезпечуючи збільшений огляд за скупченнями.

За кілька місяців команда UNCOVER звузила список із 60 000 джерел світла до 700 кандидатів для подальшого дослідження, вісім із яких, на її думку, могли бути одними з перших галактик. Потім космічний телескоп Джеймса Вебба знову скерувався на скупчення Пандори, записуючи спектри кандидатів, свого роду відбитки пальців, які детально описують кількість світла, випромінюваного на кожній довжині хвилі.

«Кілька різних команд використовують різні методи для пошуку цих стародавніх галактик, кожна зі своїми сильними та слабкими сторонами», — сказала Лейя. «Той факт, що ми спрямовуємо це гігантське збільшувальне скло в космос, дає нам неймовірно глибоке вікно, але це дуже маленьке вікно, тому ми кидали кубики. Багато з кандидатів були непереконливими, і принаймні один із них був випадком Це було щось набагато ближче”. “Це імітує далеку галактику. Але нам пощастило, і дві з них виявилися цими стародавніми галактиками. Це неймовірно”.

Властивості та ефекти

Дослідники також використовували детальні моделі, щоб зробити висновок про властивості цих ранніх галактик, коли вони випромінювали світло, виявлене космічним телескопом Джеймса Вебба. Як і очікували дослідники, дві галактики були молодими, мали мало металу в своєму складі, швидко росли й активно утворювали зірки.

«Перші елементи утворилися в ядрах ранніх зірок у процесі синтезу», — сказала Лія. “Зрозуміло, що ці ранні галактики не мали важких елементів, таких як метали, тому що вони були одними з перших заводів, які створювали ці важкі елементи. Звичайно, вони мали бути молодими та формувати зірки, щоб бути першими галактиками, але підтверджуючи ці властивості є важливим фундаментальним тестом наших моделей і допомагають підтвердити повну модель галактик. великий вибух теорія».

У поєднанні з гравітаційними лінзами потужні інфрачервоні інструменти космічного телескопа Джеймса Вебба повинні мати можливість виявляти галактики на більшій відстані, якщо вони існують, відзначили дослідники.

«У нас було дуже маленьке вікно в цей регіон, і ми не спостерігали нічого за межами цих двох галактик, хоча космічний телескоп Джеймса Вебба має таку можливість», — сказала Лея. “Це може означати, що галактики не сформувалися раніше, і що ми не знайдемо нічого далі. Або це може означати, що нам просто не пощастило через наше маленьке віконце”.

Ця робота стала результатом успішної пропозиції, поданої до НАСА, яка пропонувала, як можна використовувати космічний телескоп Джеймса Вебба протягом першого року наукової роботи. У перших трьох раундах подання заявок NASA отримало в чотири-десять разів більше пропозицій, ніж дозволяв час для спостереження, доступний на телескопі, і довелося вибрати лише частину цих пропозицій.

«Наша команда була дуже схвильована і трохи здивована, коли нашу пропозицію прийняли», — сказала Лейя. “Це передбачало координацію, швидку людську дію та двічі наведення телескопа на один і той самий об’єкт, що дуже багато потрібно від телескопа в перший рік. Був великий тиск, тому що у нас було лише кілька місяців, щоб вирішити, які речі Але його було створено Космічний телескоп Джеймса Вебба працює над пошуком цих перших галактик, і зараз це дуже цікаво.

Довідка: «Виявлення: проливання світла на ранній Всесвіт — підтвердження JWST/NIRSpec галактики z>12» Бенджі Ван, 冰洁王, Сейдзі Фудзімото, Іво Лаппе, Лукас Дж. Фуртак, Тім Б. Міллер, Девід Дж. Сітон, Аді Зіттрейн, Хакім Атік, Рейчел Безансон, Габріель Браммер, Джоель Леха, Паскаль А. Ош, Седона Х. Прайс, Ірина Чемеринська, Сем Е. Катлер, Пратіка Даял, Пітер ван Доккум, Енді де Голдінг, Дженні Е. Грін, Ю. . Водамото, Гаурав Хуллар, Василь Кокорєв, Данило Маркезіні, Річард Пен, Джон Р. Вівер, Кетрін Е. Віттакер і Крістіна К. Вільямс, 13 листопада 2023 р. Листи астрофізичного журналу.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Крім штату Пенсільванія, до команди входять дослідники з Техаського університету в Остіні, Технологічного університету Суїнберна в Австралії, Університету Бен-Гуріона в Негеві в Ізраїлі та Університету Бен-Гуріона в Негеві в Ізраїлі. Єльський університетУніверситет Піттсбурга, Університет Сорбонна у Франції, Університет Копенгагена в Данії, Університет Женеви в Швейцарії, Університет Массачусетса, Університет Гронінгена в Нідерландах, Прінстонський університетУніверситет Васеда в Японії, Університет Тафтса та Національна лабораторія досліджень оптичної та інфрачервоної астрономії (NOIR).

Цю роботу підтримали NASA, Американсько-ізраїльський бі-науковий фонд, Національний науковий фонд США, Міністерство науки і технологій Ізраїлю, Французький національний центр космічних досліджень, Французький національний інститут геонаук і астрономії та дослідницька центр. Фонд сприяння розвитку науки, Дослідницька рада Нідерландів, Європейська Комісія та Університет Гронінгена спільно фінансують Програму Розалінд Франклін, Національну астрономічну обсерваторію Японії та Лабораторію NOIR.