Rekordfjern galakse bekræftet med rumteleskopet James Webb

Efter et halvt år med hyppige nye kandidater for den fjerneste galakse, vi nogensinde har set, er det endelig lykkedes astronomer at opnå det afgørende bevis: Et spektrum, som gør det muligt for forskerne at måle den nøjagtige bølgelængde af det lys, galakserne udsendte i fortiden. Fire galakser er blevet bekræftet, og den fjerneste ses helt tilbage til blot 320 millioner år efter Big Bang.

Zoom-ins af fire galakser, som er bekræftet spektroskopisk af NIRSpec-spektrografen ombord på rumteleskopet James Webb. Farverne er komponeret af lys set gennem tre forskellige infrarøde filtre. Kredit: NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI), Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration, Peter Laursen (Cosmic Dawn Center).

BEMÆRK: Denne artikel beskriver arbejde, som endnu ikke er accepteret for publikation.

Det er dét øjeblik, vi alle har ventet på:

Siden rumteleskopet James Webb begyndte på sine videnskabelige observationer i juli, er talrige rapporter om rekordfjerne galakser blevet lagt ud på preprint-serveren arXiv.org.

Ikke bare var galakserne tilsyneladende længere væk — og ses dermed længere tilbage i tiden — end nogensinde før. De så også ud til at være så store og tunge, at de trodser Universets “standard-model”, og udfordrer vores forståelse af, hvordan og hvor hurtigt strukturer voksede i Universets tidligste epoker.

Den altafgørende spektroskopi

For nylig bestod de to første rapporter så den obligatoriske fagfællebedømmelse og blev publiceret i videnskabelige tidsskrifter, men indtil videre har alle disse galakse kun været “kandidater”. Metoden til at bestemme deres afstande var en hurtig, men noget upålidelig, teknik, som giver en omtrentlig afstand, men er kendt for somme tider at forveksle mere nærliggende galakser med fjerne.

For utvetydigt at bestemme deres afstande er det nødvendigt med den mere pålidelige metode kendt som spektroskopi. En spektrograf spreder de enkelte lyspartikler i en regnbue af farver, og gør dermed forskerne i stand til at måle deres præcise bølgelængder.

Forskellige atomer udsender lys ved specifikke bølgelængder, og spektrene fortæller os således ikke bare hvilke elementer der er i galaksen, men også mange andre egenskaber, såsom deres temperatur, hvordan gassen bevæger sig rundt, og — hvad der er vigtigst — deres afstand.

De længere ventede spektrer dukkede op på arXiv i fredags og her mandag morgen, i to artikler ledet af henholdsvis Brant Robertson ved University of California, Santa Cruz og Emma Curtis-Lake ved University of Hertfordshire.

28 timers eksponeringstid

Der er bare ét problem: Galakser i disse tidlige epoker har ikke haft meget tid til at danne nogle grundstoffer ud over det brint og helium, som de blev født af. Desuden er de så uhyre langt væk og lyssvage, at de er meget vanskelige at observere.

Peter Jakobsen er tilknyttet professor ved Niels Bohr Institutet og Cosmic Dawn Center, og tidligere “project scientist” for ESA’s NIRSpec-spektrograf; ét af de fire infrarøde instrumenter ombord på James Webb-teleskopet. Han deltog i begge studier.

Vi rettede NIRSpec mod et lille område på himlen, kendt som Hubble Ultra Deep Field, i  28 timer, og opnåede i alt 250 spektrer fra svage galakser i forskellige afstande. De fire fjerneste skilte sig ud ved, at de ikke havde nogle emissionlinjer,” forklarer Jakobsen.

Ikke desto mindre var astronomerne stadig i stand til at bruge spektret til at opnå utvetydigt bevis for deres afstande: Fordi gas i det tidlige Universe absorberer alt lys, som er mere kortbølget end en vis grænse, har spektrene et “break”, som kan måles præcist.

jades-gs-z11-spectrum

Den røde linje viser et spektrum af én af de fire galakser, kaldet JADES-GS-z10, mens den blå linje er en model. Selvom det måske ikke er så smukt som et billede, er denne figur ekstremt informativ: Intensiteten af lyset stiger mod kortere bølgelængder, men kortere end omkring 1.5 mikrometer falder det pludseligt. Den præcise bølgelængde hvor dette sker tillader astronomerne at beregne dens afstand. Kredit: E. Curtis-Lake et al. (2022).

Nina Bonaventura, postdoc ved Cosmic Dawn Center, deltog også i studiet. Hun udtaler: “Det er fantastisk at tænke på, at lyset fra disse galakser krydsede Universet i 13½ milliarder år, før de blev fanget af Webbs 25 kvadratmeter store spejl og spredt ud i en regnbue af infrarøde farver af NIRSpec,” fortæller Bonaventura entusiastisk. “Disse regnbuer tillader os ubestrideligt at bekræfte deres enorme afstande, ved at identificere det skarpe ‘brud’ i lysspektret.”

Helt nye algoritmer i den anvendte software, udviklet af Bonaventura og Jakobsen til at optimere observationerne, sikrede at det maksimale antal galakser blev observeret i et enkelt billede og eksponering.

Ingen grund til at ændre standardmodellen (endnu)

Den fjerneste af de fire, døbt JADES-GS-z13-0, ses så langt tilbage i tiden, at Universet kun var 320 millioner år gammelt. Eftersom de første stjerner og galakser menes at være opstået 100–200 millioner år efter Big Bang, er dette et betydeligt skridt tættere på begyndelsen end de hidtige  rekordholder, GN-z11, som ses ved 420 millioner år.

Udover deres afstande kunne astronomerne og bruge lyset til at bestemme galaksernes masse. Og her ser det ud til, at de ikke er så ekstreme som nogle af de første rapporter fandt for de endnu ubekræftede galakser.

NIRSpec-spektrene indikerer, at stjernerne i de fire galakser vejer mellem 10 og 100 millioner gange så meget som vores Sol, og blev dannet mindre end 100 millioner år før dét tidspunkt, vi ser dem på,” forklarer Peter Jakobsen. “Det er præcis den her slags observationer, som vi, for over 20 år siden, designede Webb og Europas NIRSpec til at kunne udføre. Det er vanvittigt tilfredsstillende endelig at se det ske. Og dette er kun begyndelsen.”

Nina Bonaventura er enig: “Det er imponerende at være vidne til den menneskelige opfindsomhed der har ledt til den fejlfri opsendelse af James Webb, instrumenternes spektakulære ydeevne, og softwaren og algoritmerne som optimerer Webbs videnskab, som altsammen har været nødvendigt for at opnå disse banebrydende resultater,” afslutter hun.

Artiklerne er indsendt, men endnu ikke accepteret til publikation.

Mere information

 

Tags: ,