Il telescopio spaziale Webb trova galassie che sfidano le teorie astronomiche

L’esistenza della seconda e della quarta galassia più distante mai registrate (UNCOVER z-13 e UNCOVER z-12) è stata confermata utilizzando la fotocamera nel vicino infrarosso del James Webb Space Telescope (NIRCam). Le galassie si trovano nell’ammasso di Pandora (Abell 2744) e sono mostrate qui come lunghezze d’onda della luce del vicino infrarosso tradotte nei colori della luce visibile. L’immagine dell’ammasso principale è scalata in secondi d’arco, una misura della distanza angolare nel cielo. I cerchi nelle immagini in bianco e nero, che mostrano le galassie nella gamma del filtro NIRCam-F277W a bordo del telescopio James Webb, indicano una dimensione di apertura di 0,32 secondi d’arco. Fonte: Immagine del cluster: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Inserti: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Sintesi: Danny Ziemba/Penn State

Successive osservazioni nell’ammasso di Pandora hanno confermato l’esistenza della seconda e della quarta galassie più distanti di sempre, più grandi di altre galassie trovate a distanze così estreme.

La seconda e la quarta galassie più distanti mai scoperte sono state scoperte in una regione dello spazio conosciuta come ammasso di Pandora, o Abell 2744, utilizzando i dati provenienti da… NASA‘S Telescopio spaziale James Webb (JWST). In una successiva immagine in campo profondo della regione (vedi immagine sotto), un team internazionale guidato da ricercatori della Penn State ha confermato la distanza di queste antiche galassie e ne ha dedotto le proprietà utilizzando nuovi dati spettroscopici – informazioni sulla luce emessa attraverso lo spettro elettromagnetico – da JWST. A circa 33 miliardi di anni luce di distanza, queste galassie incredibilmente distanti offrono informazioni su come si formarono le prime galassie.

Aspetto e significato unici

A differenza di altre galassie confermate a questa distanza, che appaiono nelle immagini come punti rossi, secondo i ricercatori le nuove galassie sono più grandi e appaiono come una nocciolina e una palla soffice. Un articolo che descrive le galassie appare oggi (13 novembre) sulla rivista Lettere del diario astrofisico.

Gli astronomi stimano che ci siano 50.000 fonti di luce nel vicino infrarosso rappresentate in questa immagine in campo profondo dell’ammasso di Pandora ottenuta dal telescopio spaziale James Webb della NASA. La sua luce ha percorso distanze variabili per raggiungere i rilevatori del telescopio, rappresentando la vastità dello spazio in un’unica immagine. Credito: Scienza: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Università di Pittsburgh), Elaborazione delle immagini: Alyssa Pagan (STScI)

“Si sa molto poco dell’universo primordiale, e l’unico modo per conoscere quel periodo e testare le nostre teorie sulla formazione delle galassie e sulla crescita iniziale è attraverso queste galassie molto distanti”, ha detto il primo autore Bingyi Wang, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Pennsylvania. Eberly State College of Science e membro di JWST UNCOVER Team (osservazioni Ultradeep NIRSpec e NIRCam prima dell’era della reionizzazione) che hanno condotto la ricerca. “Prima della nostra analisi, conoscevamo solo tre galassie confermate a questa distanza estrema. Lo studio di queste nuove galassie e delle loro proprietà ha rivelato la diversità delle galassie nell’universo primordiale e quanto si può imparare da loro.

Approfondimenti sull’universo primordiale

Poiché la luce proveniente da queste galassie ha dovuto viaggiare a lungo per raggiungere la Terra, fornisce una finestra sul passato. Il gruppo di ricerca stima che la luce scoperta dal telescopio spaziale James Webb sia stata emessa dalle due galassie quando l’universo aveva circa 330 milioni di anni e abbia viaggiato per circa 13,4 miliardi di anni luce per raggiungere il telescopio spaziale James Webb. Ma i ricercatori hanno detto che le galassie sono attualmente più vicine a 33 miliardi di anni luce dalla Terra a causa dell’espansione dell’universo durante questo periodo.

“La luce proveniente da queste galassie è antica, circa tre volte più vecchia della Terra”, ha detto Joel Lyja, assistente professore di astronomia e astrofisica alla Penn State e membro di UNCOVER. “Queste galassie primordiali sono come fari, la luce irrompe attraverso il sottilissimo gas idrogeno che costituiva l’universo primordiale. È solo attraverso la loro luce che possiamo iniziare a comprendere la strana fisica che governava la galassia vicino all’alba cosmica.”

Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, gli scienziati hanno scoperto due galassie distanti nell’ammasso di Pandora, fornendo nuove informazioni sull’universo primordiale. Queste galassie, uniche per dimensioni e aspetto, mettono alla prova la nostra comprensione della formazione delle galassie nell’universo primordiale. Credito: NASA

Vale la pena notare che le due galassie sono molto più grandi delle tre galassie precedentemente esistenti a queste grandi distanze. Uno è almeno sei volte più grande ed è largo circa 2.000 anni luce. Per confronto, via Lattea La galassia ha un diametro di circa 100.000 anni luce, ma Wang ritiene che l’universo primordiale fosse molto compatto, quindi è sorprendente che la galassia potesse essere così grande.

“Le galassie precedentemente scoperte a queste distanze sono sorgenti puntiformi. Appaiono come punti nelle nostre immagini”, ha detto Wang. “Ma uno dei nostri sembra allungato, quasi come una nocciolina, e l’altro sembra una palla sottile. Non è chiaro se la differenza di dimensioni sia dovuta a come si sono formate le stelle o a cosa è successo loro dopo che si sono formate, ma la diversità in Le proprietà delle galassie sono davvero interessanti: si prevede che queste prime galassie si siano formate da materiali simili, ma stanno già mostrando segni di essere molto diverse le une dalle altre.

Metodologia di ricerca

Le due galassie erano tra le 60.000 sorgenti luminose dell’ammasso di Pandora scoperte in una delle prime immagini in campo profondo scattate dal telescopio spaziale James Webb nel 2022, il primo anno di operazioni scientifiche. Questa regione dello spazio è stata scelta in parte perché si trova dietro molti ammassi di galassie che creano un effetto di ingrandimento naturale chiamato lente gravitazionale. La forza gravitazionale della massa combinata degli ammassi distorce lo spazio attorno a loro, focalizzando e amplificando qualsiasi luce che passa vicino a loro e fornendo una visione ingrandita dietro gli ammassi.

Nel giro di pochi mesi, il team UNCOVER ha ristretto il numero delle 60.000 sorgenti luminose a 700 candidate per lo studio di follow-up, otto delle quali ritenevano potessero essere tra le prime galassie. Quindi, il telescopio spaziale James Webb ha puntato nuovamente verso l’ammasso di Pandora, registrando gli spettri dei candidati, una sorta di impronta digitale che descrive nei dettagli la quantità di luce emessa a ciascuna lunghezza d’onda.

“Diversi team stanno utilizzando metodi diversi per cercare queste antiche galassie, ognuno con i propri punti di forza e di debolezza”, ha detto Leija. “Il fatto di puntare questa lente d’ingrandimento gigante nello spazio ci offre una finestra incredibilmente profonda, ma è una finestra molto piccola, quindi stavamo lanciando i dadi. Molti dei candidati erano inconcludenti e almeno uno di loro era un caso “Simula una galassia lontana. Ma siamo stati fortunati e due di esse si sono rivelate essere queste antiche galassie. È incredibile.”

Proprietà ed effetti

I ricercatori hanno anche utilizzato modelli dettagliati per dedurre le proprietà di queste galassie primordiali quando emettevano la luce rilevata dal telescopio spaziale James Webb. Come i ricercatori si aspettavano, le due galassie erano giovani, avevano pochi metalli nella loro composizione, crescevano rapidamente e formavano attivamente stelle.

“I primi elementi si sono formati nei nuclei delle prime stelle attraverso il processo di fusione”, ha detto Lyja. “È ovvio che queste galassie primordiali non avevano elementi pesanti come i metalli perché furono tra le prime fabbriche a costruire quegli elementi pesanti. Naturalmente, dovrebbero essere giovani e formare stelle per essere le prime galassie, ma confermando queste proprietà rappresentano un importante test fondamentale dei nostri modelli e aiutano a confermare il modello completo delle galassie. la grande esplosione teoria.”

Combinati con la lente gravitazionale, i potenti strumenti a infrarossi del James Webb Space Telescope dovrebbero essere in grado di rilevare le galassie a una distanza maggiore, se esistono, hanno osservato i ricercatori.

“Avevamo una finestra molto piccola su questa regione e non abbiamo osservato nulla al di fuori di queste due galassie, anche se il telescopio spaziale James Webb ne ha la capacità”, ha detto Leja. “Ciò potrebbe significare che le galassie non si sono formate prima di allora, e che non avremmo trovato nulla più lontano. Oppure potrebbe significare che semplicemente non siamo stati abbastanza fortunati a causa della nostra piccola finestra.”

Questo lavoro è stato il risultato di una proposta di successo presentata alla NASA in cui si proponeva come utilizzare il telescopio spaziale James Webb durante il suo primo anno di operazioni scientifiche. Nei primi tre cicli di proposte, la NASA ha ricevuto da quattro a dieci volte più proposte di quelle consentite dal tempo di osservazione disponibile sul telescopio, e ha dovuto selezionare solo una parte di quelle proposte.

“Il nostro team era molto emozionato e un po’ sorpreso quando la nostra proposta è stata accettata”, ha detto Leija. “Riguardava il coordinamento, un’azione umana rapida e il puntamento del telescopio sullo stesso oggetto due volte, il che è chiedere molto a un telescopio nel suo primo anno. C’era molta pressione perché avevamo solo pochi mesi per decidere quali cose Ma è stato creato Il telescopio spaziale James Webb sta lavorando per trovare queste prime galassie, ed è molto emozionante farlo ora.

Riferimento: “Detection: Shedding Light on the Early Universe — JWST/NIRSpec confirmation of z>12 Galaxy” di Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Osch, Sedona H. Price, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Verde, Y. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker e Christina C. Williams, 13 novembre 2023, Lettere del diario astrofisico.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Oltre alla Penn State, il team comprende ricercatori dell’Università del Texas ad Austin, della Swinburne University of Technology in Australia, della Ben Gurion University del Negev in Israele e della Ben Gurion University del Negev in Israele. Università di YaleUniversità di Pittsburgh, Università della Sorbona in Francia, Università di Copenaghen in Danimarca, Università di Ginevra in Svizzera, Università del Massachusetts, Università di Groningen nei Paesi Bassi, università di PrincetonWaseda University in Giappone, Tufts University e il Laboratorio nazionale per la ricerca sull’astronomia ottica e infrarossa (NOIR).

Questo lavoro è stato sostenuto dalla NASA, dalla US-Israel Bi-Science Foundation, dalla US National Science Foundation, dal Ministero israeliano della Scienza e della Tecnologia, dal Centro nazionale francese per gli studi spaziali, dall’Istituto nazionale francese di geoscienze e astronomia e dal Research Centro. La Fondazione per l’Avanzamento della Scienza, il Consiglio Olandese della Ricerca, la Commissione Europea e l’Università di Groningen nel finanziamento congiunto del Programma Rosalind Franklin, dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone e del Laboratorio NOIR.