Międzynarodowy zespół astronomów odkrył najwcześniejsze i najdalsze galaktyki potwierdzone do tej pory za pomocą danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Teleskop przechwycił 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 ekstremalnych odległościach, podobnie jak wcześniejsze obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Teraz cztery z tych celów zostały potwierdzone przez uzyskanie długich obserwacji spektroskopowych, 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 UC Santa Cruz. „Dzięki JWST po raz pierwszy możemy teraz znaleźć tak odległe galaktyki, a następnie potwierdzić spektroskopowo, że naprawdę są tak daleko”.
Astronomowie mierzą odległość do galaktyki, określając jej przesunięcie ku czerwieni. Ze względu na ekspansję wszechświata odległe obiekty wydają się oddalać od nas, a ich światło jest rozciągnięte 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 rozdziela światło od obiektu na składowe długości fal.
Nowe odkrycia skupiają się na czterech galaktykach z przesunięciami 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 temu.
„To znacznie wykracza poza to, co mogliśmy sobie wyobrazić przed JWST” – powiedział Robertson. „Przy przesunięciu ku czerwieni 13 wszechświat ma zaledwie około 325 milionów lat”.
Robertson i Emma Curtis-Lake z University of Hertfordshire (Wielka Brytania) zaprezentują nowe odkrycia 12 grudnia na konferencji Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore na temat „First Science Results from JWST”. Są głównymi autorami dwóch artykułów na temat wyników, które nie przeszły jeszcze procesu recenzji.
Obserwacje są wynikiem współpracy naukowców, którzy kierowali rozwojem dwóch instrumentów na pokładzie Webba, kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) i spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec). Badanie najsłabszych i najwcześniejszych galaktyk było główną motywacją przy opracowywaniu koncepcji tych instrumentów. W 2015 roku zespoły instrumentów połączyły się, aby zaproponować JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), ambitny program, któremu przydzielono nieco ponad miesiąc pracy teleskopu i ma on zapewnić widok wczesnego Wszechświata bezprecedensowy zarówno pod względem głębokości, jak i głębokości. i szczegół. JADES to międzynarodowa współpraca ponad osiemdziesięciu astronomów z dziesięciu krajów.
„Te wyniki są zwieńczeniem tego, dlaczego zespoły NIRCam i NIRSpec połączyły się, aby zrealizować ten program obserwacyjny” – powiedziała Marcia Rieke, główny badacz NIRCam na Uniwersytecie w Arizonie.
Program JADES rozpoczął się od NIRCam, wykorzystując ponad 10 dni czasu misji na obserwację małego skrawka nieba w Ultragłębokim Polu Hubble’a i wokół niego. Astronomowie badają ten region od ponad 20 lat za pomocą prawie wszystkich dużych teleskopów. Zespół JADES obserwował pole w dziewięciu różnych zakresach długości fal w podczerwieni, rejestrując wspaniałe obrazy, które ujawniają prawie 100 000 odległych galaktyk, oddalonych o miliardy lat świetlnych.
Następnie zespół wykorzystał spektrograf NIRSpec przez jeden trzydniowy okres obserwacji, aby zebrać światło z 250 słabych galaktyk. Dało to precyzyjne 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 możemy zacząć naprawdę rozbierać, w jaki sposób galaktyki składają się razem w czasie”.
Współautor Sandro Tacchella z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii dodał: „Trudno jest zrozumieć galaktyki bez zrozumienia początkowych okresów ich rozwoju. Podobnie jak w przypadku ludzi, wiele z tego, co dzieje się później, zależy od wpływu tych wczesnych pokoleń gwiazdy. Tak wiele pytań o galaktyki czekało na transformacyjną szansę Webba 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 wcześniej niż wiek, w którym je obserwowano, cofając formowanie się najwcześniejszych gwiazd do około 225 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
„Widzimy dowody na formowanie się gwiazd tak wcześnie, jak mogliśmy się tego spodziewać na podstawie naszych modeli formowania się galaktyk” – powiedział.
Inne zespoły zidentyfikowały kandydujące galaktyki o jeszcze wyższych przesunięciach ku czerwieni na podstawie analiz fotometrycznych obrazów JWST, ale nie zostało to jeszcze potwierdzone przez spektroskopię. W 2023 roku JADES będzie kontynuował szczegółowe badania innego pola, tym razem skupiającego się na kultowym Głębokim Polu Hubble’a, a następnie powróci do Ultragłębokiego Pola w celu kolejnej rundy głębokiego obrazowania i spektroskopii. O wiele więcej kandydatów w terenie czeka na badania spektroskopowe, z setkami dodatkowych godzin już zatwierdzonych.