Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrywa najodleglejsze galaktyki

Astronomowie zgłaszają najodleglejsze znane galaktyki, które zostały odkryte i potwierdzone przez JWST.

Międzynarodowy zespół astronomów odkrył najstarsze i najbardziej odległe galaktyki potwierdzone do tej pory za pomocą danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Teleskop uchwycił światło emitowane przez te galaktyki ponad 13,4 miliarda lat temu, co oznacza, że ​​galaktyki pochodzą mniej niż 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał zaledwie 2% obecnego wieku.

Wstępne obserwacje z JWST dostarczyły kilku kandydujących galaktyk w dużych odległościach, podobnie jak poprzednie obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Obecnie cztery z tych celów zostały potwierdzone długimi obserwacjami spektroskopowymi, które nie tylko zapewniają bezpieczne pomiary ich odległości, ale także pozwalają astronomom scharakteryzować właściwości fizyczne galaktyk.

„Odkryliśmy galaktyki w fantastycznie wczesnych czasach w odległym wszechświecie” – powiedział Brant Robertson, profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „Dzięki JWST po raz pierwszy możemy znaleźć tak odległe galaktyki, a następnie potwierdzić za pomocą spektroskopii, że naprawdę są daleko”.

Astronomowie mierzą odległość do galaktyki, określając jej przesunięcie ku czerwieni. Ze względu na rozszerzanie się wszechświata, odległe obiekty wydają się oddalać od nas, a ich światło jest rozciągane do dłuższych, bardziej czerwonych fal dzięki efektowi Dopplera. Techniki fotometryczne oparte na obrazach przechwyconych przez różne filtry mogą dostarczyć oszacowań przesunięcia ku czerwieni, ale ostateczne pomiary wymagają spektroskopii, która oddziela światło od obiektu na składowe długości fal.

(Kliknij na obrazek, aby zobaczyć pełny wykres.) Wszechświat się rozszerza, a ekspansja ta rozszerza światło, które podróżuje w przestrzeni w zjawisku znanym jako kosmiczne przesunięcie ku czerwieni. Im większe przesunięcie ku czerwieni, tym większą odległość przebyło światło. W rezultacie potrzebne są teleskopy z detektorami podczerwieni, aby zobaczyć światło z pierwszych i najbardziej odległych galaktyk. Źródło: NASA, ESA i L. Hustak (STSci)

Nowe wyniki skupiają się na czterech galaktykach z przesunięciem ku czerwieni większym niż 10. Dwie galaktyki początkowo obserwowane przez Hubble’a potwierdziły przesunięcia ku czerwieni na poziomie 10,38 i 11,58. Dwie najbardziej odległe galaktyki, obie wykryte na obrazach JWST, mają przesunięcia ku czerwieni 13,20 i 12,63, co czyni je najbardziej odległymi galaktykami potwierdzonymi dotychczas przez spektroskopię. Przesunięcie ku czerwieni o 13,2 odpowiada około 13,5 miliarda lat.

„Są one znacznie dalej, niż kiedykolwiek wyobrażaliśmy sobie, że zostałyby odkryte przed JWST” – powiedział Robertson. Przy przesunięciu ku czerwieni 13 wszechświat ma zaledwie 325 milionów lat.

Robertson i Emma Curtis Lake z University of Hertfordshire (Wielka Brytania) są głównymi autorami dwóch artykułów na temat odkryć, które nie przeszły jeszcze procesu recenzowania (patrz linki poniżej).

Obserwacje były wynikiem współpracy naukowców, którzy kierowali rozwojem dwóch instrumentów pokładowych Webba, kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) i spektroradiometru bliskiej podczerwieni (NIRSpec). Poszukiwanie słabszych, starszych galaktyk było głównym motorem koncepcji tych instrumentów. W 2015 roku zespoły instrumentów połączyły się, aby zaproponować JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), ambitny program, który zajął nieco ponad miesiąc pracy teleskopu i ma na celu zapewnienie widoku wczesnego Wszechświata na niespotykaną dotąd głębokość. i szczegóły. JADES to międzynarodowa współpraca ponad osiemdziesięciu astronomów z dziesięciu krajów.

„Te wyniki są zwieńczeniem tego, dlaczego zespół NIRCam i NIRSpec połączyły siły, aby wdrożyć ten program monitorowania” – powiedziała Marcia Rieke, główny badacz NIRCam na Uniwersytecie w Arizonie.

Program JADES rozpoczął się od kamery NIRCam, która wykorzystała ponad 10 dni czasu misji na obserwację małego skrawka nieba w polu Ultra-Depth Field Hubble’a i wokół niego. Astronomowie badają ten region od ponad 20 lat, używając prawie wszystkich dużych teleskopów. Zespół JADES obserwował pole w dziewięciu różnych zakresach długości fal podczerwonych, rejestrując niezwykłe obrazy, które ujawniają prawie 100 000 odległych galaktyk, z których każda ma miliardy lat świetlnych.

Następnie zespół użył spektrometru NIRSpec przez jeden okres obserwacji trwający trzy dni, aby zebrać światło z 250 słabych galaktyk. Dało to dokładne pomiary przesunięcia ku czerwieni i ujawniło właściwości gazu i gwiazd w tych galaktykach.

„Dzięki tym pomiarom możemy poznać wewnętrzną jasność galaktyk i dowiedzieć się, ile mają gwiazd” – powiedział Robertson. „Teraz naprawdę możemy zacząć mapować, w jaki sposób galaktyki łączą się w czasie”.

Współautor Sandro Tequila z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii dodał: „Trudno jest zrozumieć galaktyki bez zrozumienia początkowych okresów ich ewolucji. Podobnie jak w przypadku ludzi, wiele z tego, co dzieje się później, zależy od wpływu tych wczesnych generacji gwiazd” Mnóstwo pytań o galaktyki czeka na okazję do transformacji.” Webb i jesteśmy podekscytowani, że możemy odegrać rolę w ujawnieniu tej historii.

Według Robertsona formowanie się gwiazd w tych wczesnych galaktykach mogło rozpocząć się około 100 milionów lat przed wiekiem, w którym były obserwowane, przesuwając formowanie się pierwszych gwiazd do około 225 milionów lat później.[{” attribute=””>Big Bang.

“We are seeing evidence of star formation about as early as we could expect based on our models of galaxy formation,” he said.

Other teams have identified candidate galaxies at even higher redshifts based on photometric analyses of JWST images, but these have yet to be confirmed by spectroscopy. JADES will continue in 2023 with a detailed study of another field, this one centered on the iconic Hubble Deep Field, and then a return to the Ultra Deep Field for another round of deep imaging and spectroscopy. Many more candidates in the field await spectroscopic investigation, with hundreds of hours of additional time already approved.

For more on this research, see NASA’s Webb Space Telescope Discovers Earliest Galaxies in the Universe.

References:

“Discovery and properties of the earliest galaxies with confirmed distances” by B. E. Robertson, S. Tacchella, B. D. Johnson, K. Hainline, L. Whitler, D. J. Eisenstein, R. Endsley, M. Rieke, D. P. Stark, S. Alberts, A. Dressler, E. Egami, R. Hausen, G. Rieke, I. Shivaei, C. C. Williams, C. N. A. Willmer, S. Arribas g, N. Bonaventura, A. Bunker, A. J. Cameron, S. Carniani, S. Charlot, J. Chevallard, M. Curti, E. Curtis-Lake, F. D’Eugenio, P. Jakobsen, T. J. Looser, N. Lützgendorf, R. Maiolino, M. V. Maseda, T. Rawle, H.-W. Rix, R. Smit, H. Übler, C. Willott, J. Witstok, S. Baum, R. Bhatawdekar, K. Boyett, Z. Chen, A. de Graaff, M. Florian, J. M. Helton, R. E. Hviding, Z. Ji, N. Kumari, J. Lyu, E. Nelson, L. Sandles, A. Saxena, K. A. Suess, F. Sun, M. Topping and I. E. B. Wallace, 17 November 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04480

“Spectroscopic confirmation of four metal-poor galaxies at z=10.3-13.2” by Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, Alex Cameron, Stephane Charlot, Peter Jakobsen, Roberto Maiolino, Andrew Bunker, Joris Witstok, Renske Smit, Jacopo Chevallard, Chris Willott, Pierre Ferruit, Santiago Arribas, Nina Bonaventura, Mirko Curti, Francesco D’Eugenio, Marijn Franx, Giovanna Giardino, Tobias J. Looser, Nora Lützgendorf, Michael V. Maseda, Tim Rawle, Hans-Walter Rix, Bruno Rodriguez del Pino, Hannah Übler, Marco Sirianni, Alan Dressler, Eiichi Egami, Daniel J. Eisenstein, Ryan Endsley, Kevin Hainline, Ryan Hausen, Benjamin D. Johnson, Marcia Rieke, Brant Robertson, Irene Shivaei, Daniel P. Stark, Sandro Tacchella, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer, Rachana Bhatawdekar, Rebecca Bowler, Kristan Boyett, Zuyi Chen, Anna de Graaff, Jakob M. Helton, Raphael E. Hviding, Gareth C. Jones, Nimisha Kumari, Jianwei Lyu, Erica Nelson, Michele Perna, Lester Sandles, Aayush Saxena, Katherine A. Suess, Fengwu Sun, Michael W. Topping, Imaan E. B. Wallace and Lily Whitler, 8 December 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04568