Astronomer hittar den mest avlägsna galaxen med hjälp av James Webb Space Telescope

by Albert
This infrared image from NASA’s James Webb Space Telescope (also called Webb or JWST) was taken by the NIRCam (Near-Infrared Camera) for the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, or JADES, program. The NIRCam data was used to determine which galaxies to study further with spectroscopic observations. One such galaxy, JADES-GS-z14-0 (shown in the pullout), was determined to be at a redshift of 14.32 (+0.08/-0.20), making it the current record-holder for the most distant known galaxy. This corresponds to a time less than 300 million years after the Big Bang. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

Ett internationellt team av astronomer tillkännagav idag upptäckten av de två tidigaste och mest avlägsna galaxer som någonsin skådats, daterade till endast 300 miljoner år efter Big Bang. Dessa resultat, som uppnåtts med hjälp av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST), utgör en viktig milstolpe i studiet av det tidiga universum.

Upptäckterna gjordes av JADES-teamet (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Daniel Eisenstein från Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) är en av teamledarna för JADES och huvudforskare för det observationsprogram som avslöjade dessa galaxer. Ben Johnson och Phillip Cargile, båda forskare vid CfA, och Zihao Wu, doktorand från Harvard vid CfA, har också spelat viktiga roller.

På grund av universums expansion sträcker sig ljuset från avlägsna galaxer till längre våglängder när det färdas. Denna effekt är så extrem för dessa två galaxer att deras ultravioletta ljus förskjuts till infraröda våglängder där endast JWST kan se det. Eftersom det tar tid för ljuset att färdas syns även mer avlägsna galaxer som de var tidigare i tiden.

De två rekordgalaxerna kallas JADES-GS-z14-0 och JADES-GS-z14-1, där den förstnämnda är den mest avlägsna av de två. Förutom att vara den nya avståndsrekordhållaren är JADES-GS-z14-0 anmärkningsvärd för hur stor och ljusstark den är.

”Galaxens storlek visar tydligt att det mesta av ljuset produceras av ett stort antal unga stjärnor”, säger Eisenstein, professor vid Harvard och ordförande för astronomiska institutionen, ”snarare än att material faller ner på ett supermassivt svart hål i galaxens centrum, som skulle se mycket mindre ut.”

Kombinationen av den extrema ljusstyrkan och det faktum att det är unga stjärnor som driver den höga luminositeten gör JADES-GS-z14-0 till det mest slående beviset hittills för den snabba bildningen av stora, massiva galaxer i det tidiga universum.

”JADES-GS-z14-0 blir nu urtypen för detta fenomen”, säger Dr. Stefano Carniani vid Scuola Normale Superiore i Pisa, huvudförfattare till artikeln om upptäckten. ”Det är häpnadsväckande att universum kan skapa en sådan galax på bara 300 miljoner år.”

Forskarna använde NASA:s James Webb Space Telescope's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) för att få ett spektrum av den avlägsna galaxen JADES-GS-z14-0 för att exakt kunna mäta dess rödförskjutning och därmed bestämma dess ålder. Rödförskjutningen kan bestämmas utifrån läget för en kritisk våglängd som kallas Lyman-alfa-brytningen. Den här galaxen uppstod mindre än 300 miljoner år efter Big Bang. Kredit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Forskarna använde NASA:s James Webb Space Telescope’s NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) för att få ett spektrum av den avlägsna galaxen JADES-GS-z14-0 för att exakt kunna mäta dess rödförskjutning och därmed bestämma dess ålder. Rödförskjutningen kan bestämmas utifrån läget för en kritisk våglängd som kallas Lyman-alfa-brytningen. Den här galaxen uppstod mindre än 300 miljoner år efter Big Bang. Kredit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Bevis för förvånansvärt livskraftiga tidiga galaxer dök upp redan i de första JWST-bilderna och har ökat under de första två åren av uppdraget. Denna trend går stick i stäv med de förväntningar som de flesta astronomer hade på teorier om galaxbildning innan JWST lanserades.

JADES-GS-z14-0 var ett pussel för JADES-teamet när de först upptäckte den för över ett år sedan, eftersom den verkar tillräckligt nära en förgrundsgalax på himlen för att teamet inte kunde vara säkra på att de två inte var grannar. Men i oktober 2023 genomförde JADES-teamet ännu djupare avbildningar – fem hela dagar med JWST:s närinfraröda kamera på bara ett fält – och använde filter som utformats för att bättre isolera de tidigaste galaxerna.

”Vi kunde helt enkelt inte se något rimligt sätt att förklara den här galaxen som bara en granne till den mer närliggande galaxen”, säger Dr. Kevin Hainline, forskningsprofessor vid University of Arizona.

Galaxen ligger i ett fält där JWST Mid-Infrared Instrument hade genomfört en ultradjup observation. Dess ljusstyrka vid mellaninfraröda våglängder är ett tecken på emissioner från väte- och till och med syreatomer i det tidiga universum.

”Trots att galaxen är så ung arbetar den redan hårt med att skapa de grundämnen som vi känner till på jorden”, säger Zihao Wu, medförfattare till en andra artikel om detta fynd, ledd av Jakob Helton, doktorand vid University of Arizona.

Teamet tog sedan fram ett spektrum av varje galax och kunde bekräfta sina förhoppningar om att JADES-GS-z14-0 verkligen var en rekordgalax och att den mer ljussvaga kandidaten, JADES-GS-z14-1, var nästan lika långt borta.

I en tredje artikel, ledd av Brant Robertson, professor vid University of California-Santa Cruz, och Ben Johnson, studeras utvecklingen av denna tidiga population av galaxer.

”Detta fantastiska objekt visar att galaxbildningen i det tidiga universum är mycket snabb och intensiv”, säger Johnson, ”och JWST kommer att göra det möjligt för oss att hitta fler av dessa galaxer, kanske när universum var ännu yngre. Det är en fantastisk möjlighet att studera hur galaxer uppstår.”

Alla tre artiklarna finns för närvarande tillgängliga på preprint-servern arXiv.

Ytterligare information: A shining cosmic dawn: spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at z∼14, arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18485

JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14, arXiv:2405.18462 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18462

Brant Robertson et al, Earliest Galaxies in the JADES Origins Field: Luminosity Function and Cosmic Star-Formation Rate Density 300 Myr after the Big Bang, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.10033

Related Articles

Leave a Comment