De James Webb Space Telescope detecteert de verste sterrenstelsels

JWST’s Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) concentreerde zich op het gebied in en rond het ultradiepe veld van de Hubble Space Telescope. Met behulp van het NIRCam-instrument van Webb observeerden de wetenschappers het veld in negen verschillende infraroodgolflengtebereiken. Op basis van deze afbeeldingen (links weergegeven) zocht het team naar zwakke sterrenstelsels die zichtbaar zijn in het infrarood, maar waarvan de spectra abrupt afbreken bij een kritieke golflengte die bekend staat als de Lyman-fractuur. Het Webb NIRSpec-instrument leverde vervolgens een nauwkeurige meting van de roodverschuiving voor elk sterrenstelsel (rechts weergegeven). Vier van de bestudeerde sterrenstelsels zijn bijzonder bijzonder, omdat werd onthuld dat ze zich in een ongekend vroeg tijdperk bevonden. Deze sterrenstelsels dateren van minder dan 400 miljoen jaar na de oerknal, toen het universum slechts 2% van zijn huidige leeftijd had. In de achtergrondafbeelding vertegenwoordigt blauw licht van 1,15 micron (115 W), groen is 2,0 micron (200 W) en rood is 4,44 micron (444 W). In de uitgesneden afbeeldingen is blauw een mengsel van 0,9 en 1,15 micron (090W + 115W), groen is 1,5 micron (150W + 200W) en rood is 2,0, 2,77 en 4,44 micron (200W + 277W + 444W). Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb) en L. Hustak (STScI). Wetenschappen: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore) en JADES Samenwerking

Astronomen rapporteren de meest afgelegen bekende sterrenstelsels, die zijn ontdekt en bevestigd door JWST.

Een internationaal team van astronomen heeft de oudste en meest verre sterrenstelsels ontdekt die tot nu toe zijn bevestigd met behulp van gegevens van de James Webb Space Telescope (JWST). De telescoop ving het licht van deze sterrenstelsels meer dan 13,4 miljard jaar geleden op, wat betekent dat de sterrenstelsels minder dan 400 miljoen jaar na de oerknal dateren, toen het universum slechts 2% van zijn huidige leeftijd had.

De eerste waarnemingen van de JWST leverden verschillende kandidaat-stelsels op grote afstanden op, net als eerdere waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop. Nu zijn vier van die doelen bevestigd door verkregen lange spectroscopische waarnemingen, die niet alleen veilige metingen van hun afstanden opleveren, maar astronomen ook in staat stellen de fysieke eigenschappen van sterrenstelsels te karakteriseren.

“We ontdekten sterrenstelsels in fantastisch vroege tijden in het verre universum”, zegt Brant Robertson, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. “Met JWST kunnen we nu voor het eerst zulke verre sterrenstelsels vinden en vervolgens met spectroscopie bevestigen dat ze echt ver weg zijn.”

Astronomen meten de afstand tot een melkwegstelsel door de roodverschuiving te bepalen. Door de uitdijing van het heelal lijken verre objecten zich van ons terug te trekken en wordt hun licht uitgerekt tot langere, rodere golflengten door het Doppler-effect. Fotometrische technieken op basis van afbeeldingen die met verschillende filters zijn vastgelegd, kunnen schattingen van de roodverschuiving opleveren, maar voor definitieve metingen is spectroscopie vereist, waarbij licht van een object wordt gescheiden in componentgolflengten.

(Klik op de afbeelding om de volledige grafiek te zien.) Het universum dijt uit, en die expansie is het uitzetten van licht dat door de ruimte reist in een fenomeen dat bekend staat als de kosmische roodverschuiving. Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de afstand die het licht heeft afgelegd. Als gevolg hiervan zijn telescopen met infrarooddetectoren nodig om het licht van de eerste en meest verre sterrenstelsels te zien. Krediet: NASA, ESA en L. Hustak (STSci)

De nieuwe resultaten richten zich op vier sterrenstelsels met een roodverschuiving hoger dan 10. Twee sterrenstelsels die aanvankelijk door Hubble werden waargenomen, bevestigden roodverschuivingen van 10,38 en 11,58. De twee verst verwijderde sterrenstelsels, beide gedetecteerd in de JWST-beelden, hebben roodverschuivingen van 13,20 en 12,63, waarmee ze tot nu toe de verst verwijderde sterrenstelsels zijn die tot nu toe door spectroscopie zijn bevestigd. Een roodverschuiving van 13,2 komt overeen met ongeveer 13,5 miljard jaar.

“Deze zijn veel verder weg dan we ooit hadden gedacht dat ze vóór JWST zouden zijn ontdekt”, zei Robertson. Bij roodverschuiving 13 is het universum slechts 325 miljoen jaar oud.

Robertson en Emma Curtis Lake van de Universiteit van Hertfordshire (VK) zijn de hoofdauteurs van twee papers over bevindingen die het collegiaal getoetste proces nog niet hebben doorlopen (zie onderstaande links).

De waarnemingen waren het resultaat van een samenwerking van wetenschappers die leiding gaven aan de ontwikkeling van twee van Webb’s ingebouwde instrumenten, de Near Infrared Camera (NIRCam) en de Near Infrared Spectroradiometer (NIRSpec). De zoektocht naar zwakkere, oudere sterrenstelsels was de belangrijkste drijfveer achter de concepten voor deze instrumenten. In 2015 sloegen de instrumentteams de handen in elkaar om de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) voor te stellen, een ambitieus programma dat iets meer dan een maand telescooptijd in beslag nam en is ontworpen om een ​​ongekend diepgaand beeld van het vroege universum te geven. en bijzonderheden. JADES is een internationaal samenwerkingsverband van meer dan tachtig astronomen uit tien landen.

“Deze resultaten zijn het hoogtepunt van de reden waarom het NIRCam-team en NIRSpec zijn samengekomen om dit monitoringprogramma te implementeren”, zegt Marcia Rieke, hoofdonderzoeker voor NIRCam aan de Universiteit van Arizona.

Het JADES-programma begon met NIRCam, waarbij meer dan 10 dagen missietijd werd gebruikt om een ​​klein stukje lucht in en rond het Hubble Ultra-Depth Field te observeren. Astronomen bestuderen dit gebied al meer dan 20 jaar met bijna alle grote telescopen. Het JADES-team observeerde het veld in negen verschillende bereiken van infrarode golflengten en legde opmerkelijke beelden vast die bijna 100.000 verre sterrenstelsels onthullen, elk miljard lichtjaar.

Het team gebruikte vervolgens de NIRSpec-spectrometer gedurende een observatieperiode van drie dagen om licht te verzamelen van 250 vage sterrenstelsels. Dit leverde nauwkeurige roodverschuivingsmetingen op en onthulde de eigenschappen van het gas en de sterren in deze sterrenstelsels.

“Met deze metingen kunnen we de intrinsieke helderheid van sterrenstelsels leren en ontdekken hoeveel sterren ze hebben”, zei Robertson. “Nu kunnen we echt beginnen in kaart te brengen hoe sterrenstelsels in de loop van de tijd samenkomen.”

Co-auteur Sandro Tequila van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk voegde hieraan toe: “Het is moeilijk om sterrenstelsels te begrijpen zonder de beginperioden van hun evolutie te begrijpen. Net als bij mensen hangt veel van wat later gebeurt af van de invloed van deze vroege generaties sterren. Tal van vragen over sterrenstelsels wachten op de transformerende kans.” Webb, en we zijn heel blij dat we een rol kunnen spelen bij het onthullen van dit verhaal.”

Volgens Robertson zou de stervorming in deze vroege sterrenstelsels ongeveer 100 miljoen jaar vóór het tijdperk waarin ze werden waargenomen zijn begonnen, waardoor de vorming van de eerste sterren tot ongeveer 225 miljoen jaar daarna zou zijn opgedreven.[{” 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