Космический телескоп Уэбба обнаружил галактики, которые бросают вызов астрономическим теориям

Последующие наблюдения в скоплении Пандора подтвердили существование второй и четвертой самых далеких галактик за всю историю, которые больше, чем другие галактики, обнаруженные на таких огромных расстояниях.

Вторая и четвертая из когда-либо обнаруженных самых далеких галактик были обнаружены в области космоса, известной как скопление Пандора, или Abell 2744, с использованием данных… НАСА‘s Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). На последующем изображении региона в глубоком поле (см. изображение ниже) международная группа под руководством исследователей из Пенсильванского университета подтвердила расстояние до этих древних галактик и сделала выводы об их свойствах, используя новые спектроскопические данные — информацию о свете, излучаемом в электромагнитном спектре. из JWST. Эти невероятно далекие галактики, находящиеся на расстоянии около 33 миллиардов световых лет от Земли, дают представление о том, как формировались первые галактики.

Уникальный внешний вид и значение

По словам исследователей, в отличие от других подтвержденных галактик на этом расстоянии, которые появляются на изображениях в виде красных точек, новые галактики больше и выглядят как арахис и пушистый шарик. Статья с описанием галактик появится сегодня (13 ноября) в журнале. Письма в астрофизическом журнале.

По оценкам астрономов, на этом глубокоугольном изображении скопления Пандора, полученном космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, представлено 50 000 источников света ближнего инфракрасного диапазона. Его свет прошел разные расстояния, чтобы достичь детекторов телескопа, представляя необъятность космоса на одном изображении. Авторы и права: Наука: НАСА, ЕКА, ККА, Иво Лаппе (Суинберн), Рэйчел Безансон (Университет Питтсбурга), Обработка изображений: Алисса Пэган (STScI)

«Очень мало известно о ранней Вселенной, и единственный способ узнать об этом времени и проверить наши теории о формировании и раннем росте галактик — это изучить эти очень далекие галактики», — сказал первый автор Бинъи Ван, постдокторант из Университета Пенсильвания. Государственный научный колледж Эберли и член Команда JWST UNCOVER (наблюдения Ultradeep NIRSpec и NIRCam до эпохи реионизации) кто проводил исследование. «До нашего анализа мы знали только о трех подтвержденных галактиках на таком экстремальном расстоянии. Изучение этих новых галактик и их свойств выявило разнообразие галактик в ранней Вселенной и то, как многому можно научиться у них».

Взгляд на раннюю Вселенную

Поскольку свету этих галактик пришлось пройти долгое время, чтобы достичь Земли, он открывает окно в прошлое. По оценкам исследовательской группы, свет, обнаруженный космическим телескопом Джеймса Уэбба, был излучен двумя галактиками, когда Вселенной было около 330 миллионов лет, и прошел около 13,4 миллиардов световых лет, чтобы достичь космического телескопа Джеймса Уэбба. Но исследователи заявили, что галактики в настоящее время находятся ближе к 33 миллиардам световых лет от Земли из-за расширения Вселенной в этот период.

«Свет этих галактик древний, примерно в три раза старше земного», — сказал Джоэл Лайя, доцент кафедры астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете и член UNCOVER. «Эти ранние галактики подобны маякам: свет пробивается сквозь очень тонкий газообразный водород, составлявший раннюю Вселенную. Только благодаря их свету мы можем начать понимать странную физику, которая управляла галактикой накануне космического рассвета».

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, ученые обнаружили две далекие галактики в скоплении Пандора, что дает новое представление о ранней Вселенной. Эти галактики, уникальные по размеру и внешнему виду, бросают вызов нашему пониманию формирования галактик в ранней Вселенной. Кредит: НАСА

Стоит отметить, что эти две галактики намного больше, чем три ранее существовавшие галактики на таких больших расстояниях. Одна из них как минимум в шесть раз больше и имеет диаметр около 2000 световых лет. Для сравнения, Млечный Путь Размер галактики составляет около 100 000 световых лет в поперечнике, но Ван считает, что ранняя Вселенная была очень компактной, поэтому удивительно, что галактика могла быть такой большой.

«Галактики, ранее обнаруженные на таких расстояниях, являются точечными источниками. На наших изображениях они выглядят как точки», — сказал Ван. «Но один из наших выглядит вытянутым, почти как арахис, а другой похож на тонкий шарик. Непонятно, связана ли разница в размерах с тем, как образовались звезды, или с тем, что случилось с ними после того, как они сформировались, но разнообразие в Свойства галактик действительно интересны. Ожидается, что эти ранние галактики образовались из схожих материалов, но они уже проявляют признаки того, что сильно отличаются друг от друга.

Методология исследования

Эти две галактики были среди 60 000 источников света в скоплении Пандора, обнаруженных на одном из первых изображений глубокого поля, полученных космическим телескопом Джеймса Уэбба в 2022 году, в первый год научных операций. Эта область пространства была выбрана отчасти потому, что она находится за множеством скоплений галактик, которые создают эффект естественного увеличения, называемый гравитационным линзированием. Гравитационная сила объединенной массы скоплений искажает пространство вокруг них, фокусируя и усиливая любой свет, проходящий рядом с ними, и обеспечивая увеличенное изображение позади скоплений.

В течение нескольких месяцев команда UNCOVER сузила список из 60 000 источников света до 700 кандидатов для последующего исследования, восемь из которых, по их мнению, могли быть одними из первых галактик. Затем космический телескоп Джеймса Уэбба снова направился на скопление Пандора, записывая спектры кандидатов, своего рода отпечаток пальца, который детализирует количество света, излучаемого на каждой длине волны.

«Несколько разных команд используют разные методы для поиска этих древних галактик, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны», — сказала Лейя. «Тот факт, что мы направляем это гигантское увеличительное стекло в космос, дает нам невероятно глубокое окно, но это очень маленькое окно, поэтому мы бросали кости. Многие из кандидатов не дали окончательных результатов, и по крайней мере один из них был случай «Оно имитирует далекую галактику. Но нам повезло, и две из них оказались этими древними галактиками. Это невероятно».

Свойства и эффекты

Исследователи также использовали подробные модели, чтобы сделать выводы о свойствах этих ранних галактик, когда они излучали свет, обнаруженный космическим телескопом Джеймса Уэбба. Как и ожидали исследователи, две галактики были молодыми, имели мало металла в своем составе, быстро росли и активно образовывали звезды.

«Первые элементы сформировались в ядрах ранних звезд в процессе термоядерного синтеза», — сказал Лия. «Разумеется, что в этих ранних галактиках не было тяжелых элементов, таких как металлы, потому что они были одними из первых фабрик по производству этих тяжелых элементов. Конечно, они должны были быть молодыми и формировать звезды, чтобы стать первыми галактиками, но это подтверждается Эти свойства являются важным фундаментальным тестом наших моделей и помогают подтвердить полную модель галактик. великий взрыв теория».

Исследователи отметили, что в сочетании с гравитационным линзированием мощные инфракрасные инструменты космического телескопа Джеймса Уэбба должны быть способны обнаруживать галактики на более дальних расстояниях, если они существуют.

«У нас было очень маленькое окно в этот регион, и мы не наблюдали ничего за пределами этих двух галактик, хотя у космического телескопа Джеймса Уэбба есть такая возможность», — сказал Лея. «Это может означать, что галактики не формировались до этого времени, и что мы не обнаружим ничего дальше. Или это может означать, что нам просто не повезло из-за нашего маленького окна».

Эта работа стала результатом успешного предложения, поданного в НАСА, в котором предлагалось использовать космический телескоп Джеймса Уэбба в течение первого года его научной работы. В первых трех раундах подачи заявок НАСА получило в четыре-десять раз больше предложений, чем позволяло время наблюдения, доступное на телескопе, и ему пришлось выбрать только часть этих предложений.

«Наша команда была очень взволнована и немного удивлена, когда наше предложение было принято», — сказала Лейя. «Это требовало координации, быстрых действий человека и наведения телескопа на один и тот же объект дважды, а это многого требовалось от телескопа в первый год его существования. Было большое давление, потому что у нас было всего несколько месяцев, чтобы решить, какие вещи Но он был создан. Космический телескоп Джеймса Уэбба работает над поиском этих первых галактик, и сейчас очень интересно делать это.

Ссылка: «Обнаружение: проливая свет на раннюю Вселенную — подтверждение существования галактики z>12 JWST/NIRSpec» Бенджи Ванга, 冰洁王, Сейджи Фудзимото, Иво Лаппе, Лукаса Дж. Фуртак, Тим Б. Миллер, Дэвид Дж. Ситон, Ади Зиттрейн, Хаким Атик, Рэйчел Безансон, Габриэль Браммер, Джоэл Леха, Паскаль А. Ош, Седона Х. Прайс, Ирина Чемеринска, Сэм Э. Катлер, Пратика Даял, Питер ван Доккум, Энди де Голдинг, Дженни Э. Грин, Ю. Водамото, Гаурав Хуллар, Василий Кокорев, Данило Маркезини, Ричард Пэн, Джон Р. Уивер, Кэтрин Э. Уитакер и Кристина К. Уильямс, 13 ноября 2023 г., Письма в астрофизическом журнале.
дои: 10.3847/2041-8213/acfe07

Помимо штата Пенсильвания, в команду входят исследователи из Техасского университета в Остине, Технологического университета Суинберна в Австралии, Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле и Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле. Йельский университетУниверситет Питтсбурга, Университет Сорбонны во Франции, Копенгагенский университет в Дании, Женевский университет в Швейцарии, Массачусетский университет, Гронингенский университет в Нидерландах, Университет ПринстонУниверситет Васэда в Японии, Университет Тафтса и Национальная лаборатория исследований оптической и инфракрасной астрономии (NOIR).

Эта работа была поддержана НАСА, Американо-израильским двухнаучным фондом, Национальным научным фондом США, Министерством науки и технологий Израиля, Французским национальным центром космических исследований, Французским национальным институтом геонаук и астрономии и Исследовательским центром. Центр. Фонд развития науки, Нидерландский исследовательский совет, Европейская комиссия и Гронингенский университет совместно финансируют программу Розалинд Франклин, Национальную астрономическую обсерваторию Японии и лабораторию NOIR.