Jednym z najbardziej fundamentalnych pytań w astronomii jest: Jak powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki? Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA dostarcza już nowych informacji na ten temat. Jednym z największych programów w pierwszym roku nauki Webba jest JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), który przeznaczy około 32 dni teleskopu na odkrycie i scharakteryzowanie słabych, odległych galaktyk. Podczas gdy dane wciąż napływają, JADES odkrył już setki galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 600 milionów lat. Zespół zidentyfikował również galaktyki skrzące się mnóstwem młodych, gorących gwiazd.
„Dzięki JADES chcemy odpowiedzieć na wiele pytań, takich jak: Jak formowały się najwcześniejsze galaktyki? Jak szybko tworzyły gwiazdy? Dlaczego niektóre galaktyki przestają formować gwiazdy?” powiedziała Marcia Rieke z University of Arizona w Tucson, współprowadząca program JADES.
fabryki gwiazd
Ryan Endsley z University of Texas w Austin prowadził badania galaktyk, które istniały od 500 do 850 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Był to kluczowy czas znany jako epoka rejonizacji. Przez setki milionów lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był wypełniony gazową mgłą, która czyniła go nieprzejrzystym dla światła energetycznego. Miliard lat po Wielkim Wybuchu mgła opadła, a wszechświat stał się przezroczysty, w procesie znanym jako rejonizacja. Naukowcy debatowali, czy główną przyczyną rejonizacji były aktywne, supermasywne czarne dziury, czy też galaktyki pełne gorących, młodych gwiazd.
W ramach programu JADES, Endsley i jego współpracownicy badali te galaktyki za pomocą instrumentu Webba NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) w poszukiwaniu sygnatur formowania się gwiazd – i znaleźli je w obfitości. „Prawie każda pojedyncza galaktyka, którą znajdujemy, wykazuje te niezwykle silne sygnatury linii emisyjnych wskazujące na intensywne niedawne formowanie się gwiazd. Te wczesne galaktyki były bardzo dobre w tworzeniu gorących, masywnych gwiazd” – powiedział Endsley.
Te jasne, masywne gwiazdy wypompowywały strumienie światła ultrafioletowego, które przekształcało otaczający gaz z nieprzezroczystego w przezroczysty poprzez jonizację atomów i usuwanie elektronów z ich jąder. Ponieważ te wczesne galaktyki miały tak dużą populację gorących, masywnych gwiazd, mogły być głównym motorem procesu rejonizacji. Późniejsze ponowne połączenie elektronów i jąder tworzy wyraźnie silne linie emisyjne.
Endsley i jego współpracownicy znaleźli również dowody na to, że te młode galaktyki przechodziły okresy szybkiego formowania się gwiazd przeplatane okresami spokoju, w których tworzyło się mniej gwiazd. Te napady i starty mogły mieć miejsce, gdy galaktyki przechwytywały skupiska gazowych surowców potrzebnych do formowania gwiazd. Alternatywnie, ponieważ masywne gwiazdy szybko eksplodują, mogły okresowo wstrzykiwać energię do otaczającego środowiska, zapobiegając kondensacji gazu w celu utworzenia nowych gwiazd.
Ujawniono wczesny wszechświat
Kolejnym elementem programu JADES jest poszukiwanie najwcześniejszych galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 400 milionów lat. Badając te galaktyki, astronomowie mogą zbadać, w jaki sposób formowanie się gwiazd we wczesnych latach po Wielkim Wybuchu różniło się od tego, co obserwujemy obecnie. Światło z odległych galaktyk jest rozciągane do dłuższych fal i bardziej czerwonych kolorów w wyniku rozszerzania się wszechświata – zjawiska zwanego przesunięciem ku czerwieni. Mierząc przesunięcie ku czerwieni galaktyki, astronomowie mogą dowiedzieć się, jak daleko się ona znajduje, a zatem kiedy istniała we wczesnym wszechświecie. Przed Webbem obserwowano tylko kilkadziesiąt galaktyk powyżej przesunięcia ku czerwieni równego 8, gdy Wszechświat miał mniej niż 650 milionów lat, ale JADES odkrył teraz prawie tysiąc takich niezwykle odległych galaktyk.
Złotym standardem określania przesunięcia ku czerwieni jest obserwacja widma galaktyki, które mierzy jej jasność na niezliczonych blisko rozmieszczonych długościach fal. Ale dobre przybliżenie można określić, robiąc zdjęcia galaktyki za pomocą filtrów, z których każdy obejmuje wąski zakres kolorów, aby uzyskać garść pomiarów jasności. W ten sposób badacze mogą jednocześnie oszacować odległości wielu tysięcy galaktyk.
Kevin Hainline z University of Arizona w Tucson i jego współpracownicy wykorzystali instrument Webba NIRCam (Near-Infrared Camera) do uzyskania tych pomiarów, zwanych fotometrycznymi przesunięciami ku czerwieni, i zidentyfikowali ponad 700 kandydujących galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał od 370 do 650 milionów lat. Sama liczba tych galaktyk znacznie przekraczała przewidywania wynikające z obserwacji wykonanych przed wystrzeleniem Webba. Znakomita rozdzielczość i czułość obserwatorium pozwalają astronomom uzyskać lepszy widok tych odległych galaktyk niż kiedykolwiek wcześniej.
„Wcześniej najwcześniejsze galaktyki, które mogliśmy zobaczyć, wyglądały jak małe smugi. A jednak te smugi reprezentują miliony, a nawet miliardy gwiazd na początku wszechświata” – powiedział Hainline. „Teraz możemy zobaczyć, że niektóre z nich są w rzeczywistości rozciągłymi obiektami o widocznej strukturze. Widzimy grupy gwiazd rodzące się zaledwie kilkaset milionów lat po początku czasu”.
„Odkryliśmy, że formowanie się gwiazd we wczesnym Wszechświecie jest znacznie bardziej skomplikowane niż myśleliśmy” – dodał Rieke.
Wyniki te zostały przedstawione na 242 spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Albuquerque w Nowym Meksyku.