Webb onthult de reus van het vroege universum

Gedetailleerde beelden van een van de eerste sterrenstelsels laten zien dat de groei in het vroege heelal veel sneller verliep dan aanvankelijk werd gedacht.

Astronomen genieten momenteel van een vruchtbare ontdekkingsperiode, waarbij ze veel van de mysteries van het vroege heelal onderzoeken.

De succesvolle lancering van de James Webb Space Telescope (JWST), de opvolger van NASA's Hubble Space Telescope, heeft de grenzen van wat we kunnen zien verlegd.

Waarnemingen beginnen nu in de eerste 500 miljoen jaar na de oerknal, toen het heelal nog geen vijf procent van zijn huidige leeftijd had. Voor mensen zal deze tijd het universum definitief in het peuterstadium plaatsen.

De sterrenstelsels die we waarnemen zijn echter zeker niet infantiel, aangezien nieuwe waarnemingen sterrenstelsels onthullen die massiever en volwassener zijn dan eerder werd verwacht in zulke vroege tijden, wat ons begrip van de vorming en evolutie van sterrenstelsels helpt herschrijven.

Ons internationale onderzoeksteam heeft onlangs ongekend gedetailleerde waarnemingen gedaan van een van de oudst bekende sterrenstelsels – genaamd Gz9p3, nu gepubliceerd in Natuur astronomie.

De naam komt van Samenwerking op glas (naam van ons internationale onderzoeksteam) en het feit dat het sterrenstelsel een roodverschuiving heeft van z=9,3, waarbij roodverschuiving één manier is om de afstand tot een object te beschrijven – vandaar G en z9p3.

Gz9p3, het helderste samengevoegde sterrenstelsel dat bekend is in de eerste 500 miljoen jaar van het universum (waargenomen door de James Webb Space Telescope). Links: Live-beeldvorming toont een dubbele kern in het centrale gebied. Rechts: Lichtdoorsnedekenmerken onthullen een langgerekte, klonterige structuur die het resultaat is van samensmeltende sterrenstelsels. Krediet: NASA

Nog maar twee jaar geleden kwam de Gz9p3 naar voren als een enkel lichtpuntje Hubble-ruimtetelescoop. Maar gebruiken James Webb-ruimtetelescoop We kunnen dit object observeren zoals het 510 miljoen jaar later was de grote explosieongeveer 13 miljard jaar geleden.

We ontdekten dat Gz9p3 massiever en volwassener was dan verwacht voor zo’n jong universum, en inderdaad enkele miljarden sterren bevatte.

Het was verreweg het meest massieve object dat sinds die tijd is bevestigd en er werd berekend dat het tien keer groter was dan enig ander sterrenstelsel dat in het vroege heelal werd ontdekt.

Samen suggereren deze resultaten dat sterren sneller en efficiënter moeten zijn geëvolueerd als we deze omvang willen bereiken dan we aanvankelijk dachten.

Samensmelting van de verste sterrenstelsels in het vroege heelal

Niet alleen is Gz9p3 enorm, zijn complexe vorm identificeert het onmiddellijk als een van de oudste samensmeltingen van sterrenstelsels ooit gezien.

De JWST-opname van het sterrenstelsel toont een morfologie die doorgaans wordt geassocieerd met twee op elkaar inwerkende sterrenstelsels. De fusie is nog niet afgerond omdat we nog steeds twee componenten zien.

Wanneer twee massieve objecten op deze manier samenkomen, ontdoen ze daarbij iets van materie. Dit weggegooide materiaal suggereert dus dat wat we hebben waargenomen een van de meest verre fusies ooit is.

De James Webb-telescoop – het grootste en krachtigste instrument in zijn soort dat ooit in de ruimte is gelanceerd – maakt gebruik van een primaire spiegel van 6,5 meter, gemaakt van 18 zeshoekige spiegels, bedekt met een laag goud, om enkele van de oudste beelden van het universum te produceren. Afbeelding tegoed: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Vervolgens gingen we dieper in op ons onderzoek, om de clusters van sterren te karakteriseren waaruit de samensmeltende sterrenstelsels bestaan. Met behulp van JWST konden we dit onderzoeken Spectrum van sterrenstelselssplitst licht op dezelfde manier als een prisma wit licht in een regenboog splitst.

Wanneer alleen beeldvorming wordt gebruikt, laten de meeste onderzoeken naar deze zeer verre objecten alleen zeer jonge sterren zien, omdat jongere sterren helderder zijn en dus hun licht de beeldgegevens domineert.

Een slimme, jonge bevolking die is ontstaan ​​door galactische fusie en nog geen paar miljoen jaar oud is, overtreft bijvoorbeeld een oudere bevolking die al meer dan 100 miljoen jaar oud is.

gebruik makend van Spectrale analysetechniek We kunnen zulke gedetailleerde observaties maken dat de twee groepen kunnen worden onderscheiden.

Nieuwe modellen van het vroege heelal

Zo’n grote oudere populatie zou niet verwacht zijn, gezien het feit dat vroege sterren gevormd werden om tegen deze kosmische tijd oud genoeg te zijn. De spectroscopie is zo gedetailleerd dat we de subtiele kenmerken van oude sterren kunnen zien die ons vertellen dat er meer is dan je denkt.

Specifieke elementen die in het spectrum worden gedetecteerd (waaronder silicium, koolstof en ijzer) onthullen dat deze oudere populatie aanwezig moet zijn om de melkweg te verrijken met een overvloed aan chemicaliën.

Het is niet alleen de grootte van de sterrenstelsels die verrassend is, maar ook de snelheid waarmee ze zijn uitgegroeid tot deze chemisch volwassen staat.

Deze waarnemingen leveren bewijs voor een snelle en efficiënte aanwas van sterren en metalen in de onmiddellijke nasleep van de oerknal, in verband met de voortdurende samensmelting van sterrenstelsels, wat aantoont dat massieve sterrenstelsels met vele miljarden sterren eerder bestonden dan verwacht.

De waarnemingen leveren het bewijs van een snelle en efficiënte aanwas van sterren en metalen in de onmiddellijke nasleep van de oerknal. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, Jennifer Lutz (STScI), Matt Mountain (STScI), Anton M. Koikimore (STScI), HFF-team (STScI)

Geïsoleerde sterrenstelsels bouwen hun sterrenpopulaties op Ter plekke Met hun beperkte gasaanbod kan dit echter een langzame manier zijn voor de groei van sterrenstelsels.

Interacties tussen sterrenstelsels kunnen nieuwe stromen zuiver gas aantrekken, waardoor de brandstof ontstaat die nodig is voor snelle stervorming, en fusies bieden een sneller kanaal voor massa-aanwas en groei.

De grootste sterrenstelsels in ons moderne universum hebben een geschiedenis van fusies, inclusief die van ons Melkweg Het is tot zijn huidige omvang gegroeid door opeenvolgende fusies met kleinere sterrenstelsels.

Deze waarnemingen van Gz9p3 laten zien dat sterrenstelsels in het vroege heelal snel massa konden accumuleren door middel van fusies, waarbij de efficiëntie van de stervorming hoger was dan we hadden verwacht.

Deze en andere waarnemingen met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop zijn voor astrofysici aanleiding om hun modellen van de beginjaren van het universum te herzien.

Onze kosmologie is niet noodzakelijkerwijs verkeerd, maar ons begrip van hoe snel sterrenstelsels ontstaan, kan verkeerd zijn, omdat ze veel groter zijn dan we voor mogelijk hielden.

Deze nieuwe bevindingen komen op een goed moment nu we de grens van twee jaar naderen voor wetenschappelijke waarnemingen gedaan met de James Webb-ruimtetelescoop.

Naarmate het totale aantal waargenomen sterrenstelsels toeneemt, gaan astronomen die het vroege heelal bestuderen van de ontdekkingsfase over naar een periode waarin we monsters hebben die groot genoeg zijn om te beginnen met het bouwen en verfijnen van nieuwe modellen.

Er is nog nooit een spannender moment geweest om de geheimen van het vroege universum te begrijpen.

Referentie: “Een enorm interactief sterrenstelsel 510 miljoen jaar na de oerknal” door Kristan Boyett, Michele Trinti, Nisha Lithokawalit, Antonello Calabro, Benjamin Metha, Guido Roberts Borsani, Niccolò Dalmaso, Lilan Yang, Paola Santini, Tommaso Trio, Tucker Jones. Alaina Henry, Charlotte A. Mason, Takahiro Morishita, Themia Nanayakkara, Namrata Roy, Chen Wang, Adriano Fontana, Emiliano Merlin, Marco Castellano, Diego Paris, Marusha Bradac, Matt Malkan, Danilo Marchesini, Sara Mascia, Karl Glezbrook, Laura Pinterici. , Eros Vanzella en Benedetta Vulcani, 7 maart 2024, Natuur astronomie.
doi: 10.1038/s41550-024-02218-7

De studie werd geleid door dr. Kate Boyett met een team bestaande uit de professoren Michael Trinity en Benjamin Mitha Niccolò Dalmaso Ook van de Universiteit van Melbourne en ARC Center of Excellence voor alle hemelastrofysica in 3 dimensies (ASTRO 3D). Er wordt een internationaal onderzoeksteam gevormd 27 auteurs van 19 instellingen in Australië, Thailand, Italië, de VS, Japan, Denemarken en China.