Das Webb-Weltraumteleskop findet Galaxien, die sich astronomischen Theorien widersetzen

Die Existenz der zweit- und viertfernsten jemals aufgezeichneten Galaxien (UNCOVER z-13 und UNCOVER z-12) wurde mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) des James Webb Space Telescope bestätigt. Die Galaxien befinden sich im Pandora-Cluster (Abell 2744) und werden hier als Lichtwellenlängen im nahen Infrarot dargestellt, die in die Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt werden. Das Bild des Haupthaufens ist in Bogensekunden skaliert, einem Maß für den Winkelabstand am Himmel. Die Kreise in den Schwarzweißbildern, die Galaxien im Bereich des NIRCam-F277W-Filters an Bord des James-Webb-Teleskops zeigen, weisen auf eine Öffnungsgröße von 0,32 Bogensekunden hin. Quelle: Clusterbild: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Einfügungen: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Synthese: Danny Ziemba/Penn State

Nachfolgende Beobachtungen im Pandora-Haufen bestätigten die Existenz der zweit- und viertfernsten Galaxien aller Zeiten, die größer sind als andere Galaxien, die in solch extremen Entfernungen gefunden wurden.

Die zweit- und viertfernsten Galaxien, die jemals entdeckt wurden, wurden in einer Region des Weltraums entdeckt, die als Pandora-Cluster oder Abell 2744 bekannt ist, anhand von Daten von … NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop (JWST). In einem anschließenden Tieffeldbild der Region (siehe Bild unten) bestätigte ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University die Entfernung dieser alten Galaxien und leitete ihre Eigenschaften anhand neuer spektroskopischer Daten ab – Informationen über das im gesamten elektromagnetischen Spektrum emittierte Licht. von JWST. Diese unglaublich weit entfernten Galaxien sind etwa 33 Milliarden Lichtjahre entfernt und bieten Einblicke in die Entstehung der ersten Galaxien.

Einzigartiges Aussehen und Bedeutung

Im Gegensatz zu anderen bestätigten Galaxien in dieser Entfernung, die auf Bildern als rote Punkte erscheinen, sind die neuen Galaxien größer und sehen den Forschern zufolge wie eine Erdnuss und eine flauschige Kugel aus. Ein Artikel, der die Galaxien beschreibt, erscheint heute (13. November) in der Zeitschrift Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Astronomen schätzen, dass in diesem Tieffeldbild des Pandora-Clusters vom James Webb-Weltraumteleskop der NASA 50.000 Nahinfrarot-Lichtquellen vertreten sind. Sein Licht legte unterschiedliche Entfernungen zurück, um die Detektoren des Teleskops zu erreichen, und repräsentierte so die Weiten des Weltraums in einem Bild. Bildnachweis: Wissenschaft: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Universität Pittsburgh), Bildverarbeitung: Alyssa Pagan (STScI)

„Über das frühe Universum ist sehr wenig bekannt, und die einzige Möglichkeit, etwas über diese Zeit zu erfahren und unsere Theorien über die Entstehung und das frühe Wachstum von Galaxien zu testen, führt über diese sehr weit entfernten Galaxien“, sagte Erstautorin Bingyi Wang, Postdoktorandin an der Universität Pennsylvania. Eberly State College of Science und Mitglied von JWST UNCOVER Team (Ultradeep NIRSpec- und NIRCam-Beobachtungen vor der Reionisierungszeit) wer die Forschung durchgeführt hat. „Vor unserer Analyse kannten wir nur drei bestätigte Galaxien in dieser extremen Entfernung. Die Untersuchung dieser neuen Galaxien und ihrer Eigenschaften hat die Vielfalt der Galaxien im frühen Universum offenbart und gezeigt, wie viel man daraus lernen kann.“

Einblicke in das frühe Universum

Da das Licht dieser Galaxien eine lange Reise zurücklegen musste, um die Erde zu erreichen, bietet es ein Fenster in die Vergangenheit. Das Forscherteam schätzt, dass das vom James Webb-Weltraumteleskop entdeckte Licht von den beiden Galaxien emittiert wurde, als das Universum etwa 330 Millionen Jahre alt war, und etwa 13,4 Milliarden Lichtjahre zurücklegte, um das James Webb-Weltraumteleskop zu erreichen. Die Forscher sagten jedoch, dass die Galaxien aufgrund der Expansion des Universums in diesem Zeitraum derzeit näher an 33 Milliarden Lichtjahren von der Erde entfernt seien.

„Das Licht dieser Galaxien ist uralt, etwa dreimal älter als die Erde“, sagte Joel Lyja, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Mitglied von UNCOVER. „Diese frühen Galaxien sind wie Leuchttürme, deren Licht durch das sehr dünne Wasserstoffgas bricht, aus dem das frühe Universum bestand. Nur durch ihr Licht können wir beginnen, die seltsame Physik zu verstehen, die die Galaxie kurz vor der kosmischen Morgendämmerung beherrschte.“

Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops haben Wissenschaftler zwei entfernte Galaxien im Pandora-Cluster entdeckt und damit neue Einblicke in das frühe Universum gewonnen. Diese in Größe und Aussehen einzigartigen Galaxien stellen unser Verständnis der Galaxienentstehung im frühen Universum in Frage. Bildnachweis: NASA

Es ist erwähnenswert, dass die beiden Galaxien in diesen großen Entfernungen viel größer sind als die drei zuvor existierenden Galaxien. Einer ist mindestens sechsmal größer und hat einen Durchmesser von etwa 2.000 Lichtjahren. Zum Vergleich, Milchstraße Die Galaxie hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren, aber Wang glaubt, dass das frühe Universum sehr kompakt war, daher ist es überraschend, dass die Galaxie so groß sein könnte.

„Galaxien, die zuvor in diesen Entfernungen entdeckt wurden, sind Punktquellen. Sie erscheinen in unseren Bildern als Punkt“, sagte Wang. „Aber einer von uns sieht länglich aus, fast wie eine Erdnuss, und der andere sieht aus wie eine dünne Kugel. Es ist nicht klar, ob der Größenunterschied auf die Entstehung der Sterne zurückzuführen ist oder darauf, was mit ihnen nach ihrer Entstehung passiert ist, sondern auf die Vielfalt in.“ Die Eigenschaften von Galaxien sind wirklich interessant. Es wird erwartet, dass diese frühen Galaxien aus ähnlichen Materialien entstanden sind, aber sie zeigen bereits Anzeichen dafür, dass sie sich stark voneinander unterscheiden.

Forschungsmethodik

Die beiden Galaxien gehörten zu den 60.000 Lichtquellen im Pandora-Cluster, die in einem der ersten Tieffeldbilder des James Webb-Weltraumteleskops im Jahr 2022, dem ersten Jahr des wissenschaftlichen Betriebs, entdeckt wurden. Diese Region des Weltraums wurde teilweise ausgewählt, weil sie hinter vielen Galaxienhaufen liegt, die einen natürlichen Vergrößerungseffekt namens Gravitationslinse erzeugen. Die Schwerkraft der kombinierten Masse der Cluster verzerrt den Raum um sie herum, bündelt und verstärkt jegliches Licht, das in ihre Nähe gelangt, und ermöglicht einen vergrößerten Blick hinter die Cluster.

Innerhalb weniger Monate grenzte das UNCOVER-Team die 60.000 Lichtquellen auf 700 Kandidaten für Folgestudien ein, von denen ihrer Meinung nach acht zu den ersten Galaxien gehören könnten. Dann richtete das James-Webb-Weltraumteleskop erneut auf den Pandora-Cluster und zeichnete die Spektren der Kandidaten auf, eine Art Fingerabdruck, der die bei jeder Wellenlänge emittierte Lichtmenge detailliert beschreibt.

„Mehrere verschiedene Teams verwenden unterschiedliche Methoden, um nach diesen alten Galaxien zu suchen, jede mit ihren eigenen Stärken und Schwächen“, sagte Leija. „Die Tatsache, dass wir diese riesige Lupe in den Weltraum richten, gibt uns ein unglaublich tiefes Fenster, aber es ist ein sehr kleines Fenster, also haben wir gewürfelt. Viele der Kandidaten waren nicht schlüssig, und mindestens einer von ihnen war ein Fall.“ Es handelte sich um etwas viel näheres.“ „Es simuliert eine entfernte Galaxie. Aber wir hatten Glück, und zwei davon entpuppten sich als diese alten Galaxien. Es ist unglaublich.“

Eigenschaften und Wirkungen

Die Forscher verwendeten auch detaillierte Modelle, um die Eigenschaften dieser frühen Galaxien abzuleiten, als sie vom James Webb-Weltraumteleskop entdecktes Licht aussendeten. Wie die Forscher erwartet hatten, waren die beiden Galaxien jung, hatten wenig Metall in ihrer Zusammensetzung, wuchsen schnell und bildeten aktiv Sterne.

„Die ersten Elemente entstanden in den Kernen früher Sterne durch den Fusionsprozess“, sagte Lyja. „Es liegt auf der Hand, dass diese frühen Galaxien keine schweren Elemente wie Metalle enthielten, da sie zu den ersten Fabriken gehörten, die diese schweren Elemente bauten. Natürlich müssten sie jung sein und Sterne bilden, um die ersten Galaxien zu sein, aber das bestätigt sich.“ Diese Eigenschaften sind ein wichtiger grundlegender Test unserer Modelle und helfen bei der Bestätigung des vollständigen Galaxienmodells. die große Explosion Theorie.“

In Kombination mit dem Gravitationslinseneffekt sollten die leistungsstarken Infrarotinstrumente des James Webb-Weltraumteleskops in der Lage sein, Galaxien in größerer Entfernung zu erkennen, sofern vorhanden, so die Forscher.

„Wir hatten ein sehr kleines Fenster in diese Region und konnten außerhalb dieser beiden Galaxien nichts beobachten, obwohl das James-Webb-Weltraumteleskop über diese Fähigkeit verfügt“, sagte Leja. „Das könnte bedeuten, dass sich vorher keine Galaxien gebildet haben und dass wir weiter draußen nichts finden würden. Oder es könnte bedeuten, dass wir aufgrund unseres kleinen Fensters einfach nicht das Glück hatten.“

Diese Arbeit war das Ergebnis eines erfolgreichen Vorschlags, der der NASA vorgelegt wurde und vorschlug, wie das James Webb-Weltraumteleskop im ersten Jahr seines wissenschaftlichen Betriebs genutzt werden könnte. In den ersten drei Einreichungsrunden erhielt die NASA vier- bis zehnmal mehr Vorschläge, als die am Teleskop verfügbare Beobachtungszeit zuließ, und musste nur einen Teil dieser Vorschläge auswählen.

„Unser Team war sehr aufgeregt und ein wenig überrascht, als unser Vorschlag angenommen wurde“, sagte Leija. „Es erforderte Koordination, schnelles menschliches Eingreifen und das zweimalige Ausrichten des Teleskops auf dasselbe Objekt, was von einem Teleskop im ersten Jahr viel verlangt wird. Der Druck war groß, weil wir nur ein paar Monate Zeit hatten, um zu entscheiden, welche Dinge.“ Aber es wurde geschaffen. Das James-Webb-Weltraumteleskop arbeitet daran, diese ersten Galaxien zu finden, und es ist jetzt sehr aufregend, dies zu tun.

Referenz: „Erkennung: Licht ins frühe Universum bringen – JWST/NIRSpec-Bestätigung der z>12-Galaxie“ von 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. Grün, Y. . Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker und Christina C. Williams, 13. November 2023, Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Neben Penn State gehören dem Team Forscher der University of Texas in Austin, der Swinburne University of Technology in Australien, der Ben Gurion University of the Negev in Israel und der Ben Gurion University of the Negev in Israel an. Yale UniversitätUniversität Pittsburgh, Universität Sorbonne in Frankreich, Universität Kopenhagen in Dänemark, Universität Genf in der Schweiz, Universität Massachusetts, Universität Groningen in den Niederlanden, Princeton UniversitätWaseda University in Japan, Tufts University und das National Laboratory for Optical and Infrarot Astronomy (NOIR) Research.

Diese Arbeit wurde von der NASA, der US-Israel Bi-Science Foundation, der US National Science Foundation, dem israelischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie, dem französischen Nationalen Zentrum für Weltraumstudien, dem französischen Nationalen Institut für Geowissenschaften und Astronomie und der Forschung unterstützt Center. Die Stiftung zur Förderung der Wissenschaft, der Niederländische Forschungsrat, die Europäische Kommission und die Universität Groningen finanzieren gemeinsam das Rosalind Franklin-Programm, das Nationale Astronomische Observatorium Japans und das NOIR-Labor.