Vier ontdekkingen van de Webb Telescope over verre sterrenstelsels

NASA heeft zijn nieuwste James Webb-ruimtetelescoop gebouwd Een peer naar het verre heelal En terug naar het begin van de geschiedenis – en het doet het al zo spectaculair. In de afgelopen twee weken sinds Webb’s eerste wetenschappelijke beelden en gegevens beschikbaar kwamen voor astronomen om mee te werken, hebben ze een stortvloed aan voorlopige ontdekkingen gerapporteerd, waaronder verschillende kanshebbers voor wat het meest verre sterrenstelsel ooit zou kunnen zijn.

De beelden van Webb onthullen een weelde aan glinsterende sterrenstelsels in het verre heelal, zoals ze er uitzagen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden. telescoop Verbluffend scherpe beelden Het verbrijzelde de vooroordelen van astronomen over het vroege heelal.

“We hadden een idee welke sterrenstelsels hierin zitten [distances] “Het lijkt erop hoeveel details we zullen kunnen zien, maar ik denk dat de realiteit ons gewoon een beetje versteld doet staan”, zegt Jehan Kartaltepe, een astronoom aan het Rochester Institute of Technology in New York.

Hier zijn enkele dingen die astronomen leren van de eerste waarnemingen van Webb.

Er zijn veel sterrenstelsels.

Omdat Webb infrarood licht detecteert en omdat de uitdijing van het heelal het licht uitrekt tot rode golflengten, is de telescoop zeer geschikt voor het ontdekken van sterrenstelsels die vroeg in de geschiedenis van het heelal zijn gevormd. In de eerste observatieprogramma’s, die in juni werden gelanceerd, ontdekte Webb veel verre sterrenstelsels die buiten het bereik van andere observatoria liggen, zoals de Hubble Space Telescope.

“Het geeft aan wat velen van ons hebben beweerd, dat er sterrenstelsels zijn die verder gaan dan wat we met Hubble hebben gezien”, zegt Richard Ellis, een astronoom aan het University College London.

Het tijdperk van vroege sterrenstelsels begon bij de ‘kosmische dageraad’, misschien ongeveer 250 miljoen jaar na de oerknal, toen de eerste sterren zich vormden en het universum verlichtten. Volgende generaties sterren vloeiden samen in sterrenstelsels, de vage rode stippen die Webb begon te ontdekken.

Veel van Webbs beelden doordringen nooit eerder vertoonde sterrenstelsels in het verre heelal. “Er is bijna geen lege ruimte die niets heeft”, zegt Kartaltepe.

Een studie kamde gegevens uit veel van de verre galactische domeinen die Webb tot nu toe heeft waargenomen, om de snelheid te analyseren waarmee sterren in het vroege heelal werden gevormd. Het vond 44 voorheen onbekende sterrenstelsels die zich 300 miljoen jaar terug uitstrekken vanaf de oerknal. Gecombineerd met 11 eerder bekende sterrenstelsels, laten de resultaten zien dat er een groot aantal stervormende sterrenstelsels in het vroege heelal waren.¹. De resultaten “bevestigen het enorme potentieel van de volgende grootste” [Webb] “Programma’s om ons begrip van het jonge universum te transformeren”, schreef het team onder leiding van Callum Dunant van de Universiteit van Edinburgh, VK, in een paper over de arXiv preprint-server.

Verschillende sterrenstelsels strijden om de “verste” titel.

Misschien wel de grootste stormloop is die van onderzoeksteams die strijden om het verste sterrenstelsel in de gegevens van Webb te lokaliseren. Er zijn een aantal kandidaten gesignaleerd die door verder onderzoek moeten worden bevestigd, maar ze zullen allemaal het record van Hubble verbreken voor het verste sterrenstelsel, dat ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal dateert.^{2En de3}.

Een mededinger was te zien in een webenquête genaamd GLASS waarin een ander sterrenstelsel, iets minder ver weg, in dezelfde afbeelding was opgenomen.⁴. “Het feit dat we deze twee heldere sterrenstelsels vonden, was echt verrassend”, zegt Marco Castellano, een astronoom aan het National Institute of Astrophysics in Rome. Hij en zijn collega’s hadden niet verwacht dat ze in dit kleine deel van de hemel verre sterrenstelsels zouden vinden. Een tweede team observeerde ook onafhankelijk de twee sterrenstelsels⁵.

Astronomen karakteriseren de afstand van sterrenstelsels met een schaal die bekend staat als de roodverschuiving, die kwantificeert hoeveel licht is omgezet in rode golflengten. Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de afstand tot de melkweg. Het GLASS-filter heeft een roodverschuiving van ongeveer 13. Maar op 25 en 26 juli, dagen nadat astronomen de GLASS-sterrenstelsels hadden gerapporteerd, stroomden kranten die beweerden dat roodverschuiving over de arXiv-server voordat ze werden afgedrukt. “Dit is nog maar het begin van het begin”, zegt Rohan Naidoo, een astronoom aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts.

Een kandidaat, met een roodverschuiving van 14, verscheen in een enquête genaamd CEERS, een van Webb’s meest opvallende vroege projecten. CEERS-hoofdonderzoeker Stephen Finkelstein van de Universiteit van Texas in Austin noemde de Maisie’s Galaxy, naar zijn dochter.⁶. Een andere studie keek naar hetzelfde De eerste deep field-afbeelding van internetvrijgegeven door de Amerikaanse president Joe Biden op 11 juli, en vond twee mogelijke sterrenstelsels met een roodverschuiving van 16, waardoor ze slechts 250 miljoen jaar na de oerknal waren.⁷. Andere arXiv-papers voorspellen andere kandidaten, zelfs bij een roodverschuiving van 20 .⁸.

Sommige van de vroege sterrenstelsels zijn verrassend complex.

Het blijkt ook dat de verre Webb-sterrenstelsels meer structuur hebben dan astronomen hadden verwacht.

Een studie van Webb’s eerste diepveldopname vond een verrassend groot aantal verre sterrenstelsels die zich vormden als schijven.⁹. Met behulp van Hubble hebben astronomen geconcludeerd dat verre sterrenstelsels onregelmatiger van vorm zijn dan nabije sterrenstelsels, die, net als de Melkweg, vaak regelmatige vormen vertonen zoals schijven. De theorie was dat vroege sterrenstelsels vaak werden vervormd door interacties met naburige sterrenstelsels. Maar de waarnemingen van Webb geven aan dat er maar liefst 10 keer zoveel schijfvormige sterrenstelsels zijn als eerder werd gedacht.

“Dankzij de nauwkeurigheid van James Webb kunnen we zien dat sterrenstelsels veel eerder schijven hebben dan we dachten”, zegt Alison Kirkpatrick, een astronoom aan de Universiteit van Kansas in Lawrence. Het is een probleem, zegt ze, omdat het indruist tegen eerdere theorieën over galactische evolutie. “We zullen het moeten uitzoeken.”

Het voorgedrukte manuscript geeft aan dat massieve sterrenstelsels veel eerder in het universum zijn gevormd dan voorheen bekend was. Een team onder leiding van Ivo Labe van de Swinburne University of Technology in Melbourne, Australië, meldt dat het zeven enorme sterrenstelsels heeft ontdekt in het CEERS-veld, met een roodverschuiving tussen 7 en 10¹⁰. De wetenschappers schreven: “We concluderen dat de centrale regio’s van ten minste enkele massieve sterrenstelsels voor een groot deel 500 miljoen jaar na de oerknal bestonden, en dat massieve galactische vorming heel vroeg in de geschiedenis van het universum begon.”

Studies van galactische chemie laten ook een rijk en complex beeld zien dat voortkomt uit de gegevens van Webb. Eén analyse van de eerste diepveldafbeelding onderzocht het licht dat wordt uitgezonden door sterrenstelsels met een roodverschuiving van 5 of meer. (De spectraallijnen die verschijnen bij verschillende golflengten van licht zijn gerelateerd aan de chemische elementen waaruit sterrenstelsels bestaan.) En het vond een verrassende rijkdom aan elementen zoals zuurstof.¹¹. Astronomen dachten dat het chemische bevruchtingsproces – waarbij sterren waterstof en helium samensmelten om zwaardere elementen te vormen – enige tijd in beslag nam, maar als we het in vroege sterrenstelsels aan de gang krijgen, “zullen we opnieuw nadenken over hoe snel stervorming plaatsvindt”, zegt Kirkpatrick.

De dichtstbijzijnde sterrenstelsels zijn kleiner dan verwacht.

Verrassingen van Webb gaan iets later door in de evolutie van het universum. In een studie werd gekeken naar Webbs waarnemingen van een ‘kosmische middag’, een periode van bijna 3 miljard jaar na de oerknal. Dit is de tijd waarin stervorming in het universum zijn hoogtepunt bereikte en het meeste licht werd geproduceerd.

Wren Suess, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, vergeleek Hubble-afbeeldingen van sterrenstelsels op kosmische middag met webafbeeldingen van dezelfde sterrenstelsels. Op de infrarode golflengten die door Webb werden gedetecteerd, leken de meeste massieve sterrenstelsels veel kleiner dan op de Hubble-afbeeldingen.¹². “Het verandert mogelijk onze hele kijk op hoe de afmetingen van sterrenstelsels in de loop van de tijd evolueren”, zegt Seuss. Hubble-onderzoeken suggereerden dat sterrenstelsels klein beginnen en in de loop van de tijd groter worden, maar de resultaten van Webb suggereren dat Hubble niet het volledige beeld had, dus de evolutie van sterrenstelsels kan complexer zijn dan wetenschappers hadden verwacht.

Met Webb aan het begin van meer dan 20 jaar gepland werk, weten astronomen dat er veel veranderingen voor de boeg zijn. “Op dit moment lig ik om 3 uur ‘s nachts wakker en vraag me af of alles wat ik deed verkeerd was”, zegt Kirkpatrick.