Telescópio Espacial Webb encontra galáxias que desafiam teorias astronômicas

A existência da segunda e quarta galáxias mais distantes já registradas (UNCOVER z-13 e UNCOVER z-12) foi confirmada usando a câmera infravermelha próxima (NIRCam) do Telescópio Espacial James Webb. As galáxias estão localizadas no aglomerado de Pandora (Abell 2744) e são mostradas aqui como comprimentos de onda de luz no infravermelho próximo traduzidos nas cores da luz visível. A imagem do cluster principal é dimensionada em segundos de arco, uma medida da distância angular no céu. Os círculos nas imagens em preto e branco, mostrando galáxias na faixa do filtro NIRCam-F277W a bordo do Telescópio James Webb, indicam um tamanho de abertura de 0,32 segundos de arco. Fonte: Imagem do cluster: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Inserções: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Síntese: Danny Ziemba/Penn State

Observações subsequentes no enxame de Pandora confirmaram a existência da segunda e quarta galáxias mais distantes de sempre, maiores do que outras galáxias encontradas a distâncias tão extremas.

A segunda e a quarta galáxias mais distantes já descobertas foram descobertas em uma região do espaço conhecida como aglomerado de Pandora, ou Abell 2744, usando dados de… NASAde Telescópio Espacial James Webb (JWST). Numa imagem de campo profundo da região (ver imagem abaixo), uma equipa internacional liderada por investigadores da Penn State confirmou a distância destas galáxias antigas e inferiu as suas propriedades utilizando novos dados espectroscópicos – informações sobre a luz emitida através do espectro electromagnético – do JWST. A cerca de 33 mil milhões de anos-luz de distância, estas galáxias incrivelmente distantes oferecem informações sobre como as primeiras galáxias se formaram.

Aparência e significado únicos

Ao contrário de outras galáxias confirmadas a esta distância, que aparecem nas imagens como pontos vermelhos, as novas galáxias são maiores e parecem um amendoim e uma bola fofa, segundo os pesquisadores. Um artigo descrevendo as galáxias aparece hoje (13 de novembro) na revista Cartas de diários astrofísicos.

Os astrónomos estimam que existam 50.000 fontes de luz no infravermelho próximo representadas nesta imagem de campo profundo do aglomerado de Pandora obtida pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA. A sua luz percorreu distâncias variadas para alcançar os detectores do telescópio, representando a vastidão do espaço numa imagem. Crédito: Ciência: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Universidade de Pittsburgh), Processamento de imagem: Alyssa Pagan (STScI)

“Muito pouco se sabe sobre o universo primitivo, e a única maneira de aprender sobre essa época e testar nossas teorias sobre a formação de galáxias e o crescimento inicial é através dessas galáxias muito distantes”, disse o primeiro autor Bingyi Wang, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Pensilvânia. Eberly State College of Science e membro do Equipe JWST UNCOVER (observações Ultradeep NIRSpec e NIRCam antes da era da reionização) que conduziu a pesquisa. “Antes da nossa análise, conhecíamos apenas três galáxias confirmadas a esta distância extrema. O estudo destas novas galáxias e das suas propriedades revelou a diversidade de galáxias no Universo primitivo e o quanto pode ser aprendido com elas.

Insights sobre o universo primitivo

Como a luz destas galáxias teve de viajar muito tempo para chegar à Terra, ela fornece uma janela para o passado. A equipa de investigação estima que a luz descoberta pelo Telescópio Espacial James Webb foi emitida pelas duas galáxias quando o Universo tinha cerca de 330 milhões de anos e viajou cerca de 13,4 mil milhões de anos-luz para chegar ao Telescópio Espacial James Webb. Mas os investigadores disseram que as galáxias estão atualmente mais próximas de 33 mil milhões de anos-luz da Terra devido à expansão do Universo durante este período.

“A luz destas galáxias é antiga, cerca de três vezes mais antiga que a Terra”, disse Joel Lyga, professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State e membro da UNCOVER. “Estas galáxias primitivas são como faróis, a luz irrompendo através do muito fino gás hidrogénio que compunha o universo primitivo. É apenas através da sua luz que podemos começar a compreender a estranha física que governava a galáxia perto do amanhecer cósmico.”

Usando o Telescópio Espacial James Webb, os cientistas descobriram duas galáxias distantes no aglomerado de Pandora, fornecendo novos insights sobre o universo primitivo. Estas galáxias, únicas em tamanho e aparência, desafiam a nossa compreensão da formação de galáxias no universo primitivo. Crédito: NASA

Vale a pena notar que as duas galáxias são muito maiores do que as três galáxias anteriormente existentes a estas grandes distâncias. Um deles é pelo menos seis vezes maior e tem cerca de 2.000 anos-luz de diâmetro. Para comparação, via Láctea A galáxia tem cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro, mas Wang acredita que o universo primitivo era muito compacto, por isso é surpreendente que a galáxia possa ser tão grande.

“Galáxias previamente descobertas a estas distâncias são fontes pontuais. Elas aparecem como um ponto nas nossas imagens”, disse Wang. “Mas uma das nossas parece alongada, quase como um amendoim, e a outra parece uma bola fina. Não está claro se a diferença de tamanho se deve à forma como as estrelas se formaram ou ao que aconteceu com elas depois que se formaram, mas a diversidade em As propriedades das galáxias são realmente interessantes. Espera-se que essas primeiras galáxias tenham se formado a partir de materiais semelhantes, mas já mostram sinais de serem muito diferentes umas das outras.

Metodologia de Pesquisa

As duas galáxias estavam entre as 60.000 fontes de luz no aglomerado de Pandora descobertas em uma das primeiras imagens de campo profundo tiradas pelo Telescópio Espacial James Webb durante 2022, o primeiro ano de operações científicas. Esta região do espaço foi escolhida em parte porque fica atrás de muitos aglomerados de galáxias que criam um efeito de ampliação natural chamado lente gravitacional. A força gravitacional da massa combinada dos aglomerados distorce o espaço ao seu redor, focando e amplificando qualquer luz que passe perto deles e proporcionando uma visão ampliada por trás dos aglomerados.

Em poucos meses, a equipa do UNCOVER reduziu as 60.000 fontes de luz a 700 candidatas para estudo de acompanhamento, oito das quais acreditavam que poderiam estar entre as primeiras galáxias. Em seguida, o Telescópio Espacial James Webb apontou novamente para o aglomerado Pandora, registrando os espectros dos candidatos, uma espécie de impressão digital que detalha a quantidade de luz emitida em cada comprimento de onda.

“Várias equipes diferentes estão usando métodos diferentes para procurar essas galáxias antigas, cada uma com seus próprios pontos fortes e fracos”, disse Leija. “O fato de apontarmos esta lupa gigante para o espaço nos dá uma janela incrivelmente profunda, mas é uma janela muito pequena, então estávamos jogando os dados. Muitos dos candidatos foram inconclusivos, e pelo menos um deles era um caso. de identidade trocada. Era algo muito mais próximo.” “Simula uma galáxia distante. Mas tivemos sorte, e duas delas acabaram sendo essas galáxias antigas. É incrível.”

Propriedades e efeitos

Os investigadores também usaram modelos detalhados para inferir as propriedades destas primeiras galáxias quando emitiram luz detectada pelo Telescópio Espacial James Webb. Como os pesquisadores esperavam, as duas galáxias eram jovens, tinham pouco metal em sua composição, cresciam rapidamente e formavam estrelas ativamente.

“Os primeiros elementos foram formados nos núcleos das primeiras estrelas através do processo de fusão”, disse Lyja. “É lógico que estas primeiras galáxias não tinham elementos pesados, como os metais, porque estavam entre as primeiras fábricas a construir esses elementos pesados. É claro que teriam de ser jovens e estar a formar estrelas para serem as primeiras galáxias, mas confirmando essas propriedades são um teste fundamental importante de nossos modelos e ajudam a confirmar o modelo completo de galáxias. a grande explosão teoria.”

Combinados com lentes gravitacionais, os poderosos instrumentos infravermelhos do Telescópio Espacial James Webb deverão ser capazes de detectar galáxias a uma distância maior, se existirem, observaram os pesquisadores.

“Tínhamos uma janela muito pequena para esta região e não observámos nada fora destas duas galáxias, embora o Telescópio Espacial James Webb tenha essa capacidade”, disse Leja. “Isto pode significar que as galáxias não se formaram antes disso e que não encontraríamos nada mais longe. Ou pode significar que simplesmente não tivemos a sorte suficiente por causa da nossa pequena janela.”

Este trabalho foi o resultado de uma proposta bem-sucedida apresentada à NASA propondo como o Telescópio Espacial James Webb poderia ser usado durante seu primeiro ano de operações científicas. Nas três primeiras rodadas de inscrições, a NASA recebeu de quatro a dez vezes mais propostas do que o tempo de observação disponível no telescópio permitiria, e teve que selecionar apenas uma parte dessas propostas.

“Nossa equipe ficou muito entusiasmada e um pouco surpresa quando nossa proposta foi aceita”, disse Leija. “Envolveu coordenação, ação humana rápida e apontar o telescópio duas vezes para o mesmo objeto, o que é pedir muito de um telescópio em seu primeiro ano. Houve muita pressão porque tínhamos apenas alguns meses para decidir quais coisas Mas foi criado O Telescópio Espacial James Webb está trabalhando para encontrar essas primeiras galáxias, e é muito emocionante fazê-lo agora.

Referência: “Detecção: lançando luz sobre o universo primitivo — Confirmação JWST/NIRSpec da galáxia z>12” por 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. Whitaker e Christina C. Williams, 13 de novembro de 2023, Cartas de diários astrofísicos.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Além da Penn State, a equipe inclui pesquisadores da Universidade do Texas em Austin, da Universidade de Tecnologia de Swinburne na Austrália, da Universidade Ben Gurion do Negev em Israel e da Universidade Ben Gurion do Negev em Israel. Universidade de YaleUniversidade de Pittsburgh, Universidade Sorbonne na França, Universidade de Copenhague na Dinamarca, Universidade de Genebra na Suíça, Universidade de Massachusetts, Universidade de Groningen na Holanda, Universidade de PrincetonUniversidade Waseda no Japão, Universidade Tufts e Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia Óptica e Infravermelha (NOIR).

Este trabalho foi apoiado pela NASA, pela Fundação Bi-Ciência EUA-Israel, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pelo Ministério de Ciência e Tecnologia de Israel, pelo Centro Nacional Francês de Estudos Espaciais, pelo Instituto Nacional Francês de Geociências e Astronomia e pelo Centro de Pesquisa. Centro. A Fundação para o Avanço da Ciência, o Conselho de Pesquisa da Holanda, a Comissão Europeia e a Universidade de Groningen no financiamento conjunto do Programa Rosalind Franklin, do Observatório Astronômico Nacional do Japão e do Laboratório NOIR.