Наличие второй и четвертой самых далеких галактик, когда-либо наблюдавшихся (UNCOVER z-13 и UNCOVER z-12), было подтверждено с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона космического телескопа Джеймса Уэбба (NIRCam). Галактики расположены в скоплении Пандоры (Abell 2744) и показаны здесь как световые волны ближнего инфракрасного диапазона, преобразованные в цвета видимого света. Масштаб основного изображения скопления указан в угловых секундах, что является мерой углового расстояния на небе. Кружки на черно-белых изображениях, показывающие галактики в полосе фильтров NIRCam-F277W на борту JWST, указывают на размер апертуры 0,32 угловых секунды. Фото: Изображение кластера: NASA, UNCOVER (Безансон и др., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Врезки: NASA, UNCOVER (Ванг и др., 2023) Состав: Дэни Земба/Пенсильванский университет
Вторая и четвертая по величине галактики, когда-либо наблюдавшиеся, были обнаружены в области космоса, известной как скопление Пандоры или Abell 2744, с использованием данных космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST).
После получения глубокого изображения этой местности международная группа под руководством исследователей из Пенсильванского университета подтвердила расстояние до этих древних галактик и сделала выводы об их свойствах, используя новые спектроскопические данные — информацию о свете, излучаемом во всем электромагнитном спектре — от JWST. Эти невероятно далекие галактики, находящиеся на расстоянии почти 33 миллиардов световых лет от нас, дают представление о том, как могли образоваться самые ранние галактики.
По словам исследователей, в отличие от других галактик, подтвержденных на этом расстоянии и которые появляются на изображениях в виде красных точек, новые галактики больше и выглядят как арахис и пушистый шарик. Статья с описанием галактик появилась в журнале Astrophysical Journal Letters.
«Очень мало известно о ранней Вселенной, и единственный способ узнать об этом времени и проверить наши теории формирования и роста ранних галактик — это изучить эти очень далекие галактики», — сказал первый автор Бинцзе Ван, постдокторант из штата Пенсильвания. Научного колледжа Эберли и член команды JWST UNCOVER (Ultradeep NIRSpec и NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization), проводившей исследование.
«До нашего анализа мы знали только о трех галактиках, находящихся на таком экстремальном расстоянии. Изучение этих новых галактик и их свойств выявило разнообразие галактик в ранней Вселенной и то, как многому можно научиться у них».
Поскольку свету от этих галактик пришлось так долго путешествовать, чтобы достичь Земли, он открывает окно в прошлое. По оценкам исследовательской группы, свет, обнаруженный JWST, был испущен двумя галактиками, когда Вселенной было около 330 миллионов лет, и прошел около 13,4 миллиардов световых лет, чтобы достичь JWST. Но, по словам исследователей, галактики в настоящее время находятся ближе к 33 миллиардам световых лет от Земли из-за расширения Вселенной за это время.
«Свет этих галактик древний, примерно в три раза старше земного», — сказал Джоэл Леха, доцент кафедры астрономии и астрофизики Пенсильванского университета и член UNCOVER. «Эти ранние галактики подобны маякам, свет которых пробивается сквозь очень тонкий газообразный водород, составлявший раннюю Вселенную. Только благодаря их свету мы можем начать понимать экзотическую физику, которая управляла галактикой на заре космического рассвета».
Примечательно, что эти две галактики значительно больше, чем три галактики, ранее расположенные на таких экстремальных расстояниях. Одна из них как минимум в шесть раз больше и имеет диаметр около 2000 световых лет. Для сравнения, диаметр Млечного Пути составляет около 100 000 световых лет, но, по словам Вана, ранняя Вселенная, как полагают, была очень сжатой, поэтому удивительно, что галактика настолько велика, насколько она есть.
«Ранее обнаруженные галактики на таких расстояниях являются точечными источниками — на наших изображениях они выглядят как точки», — сказал Ван.
«Но один из наших кажется вытянутым, почти как арахис, а другой похож на пушистый шарик. Неясно, связана ли разница в размерах с тем, как образовались звезды, или с тем, что случилось с ними после того, как они сформировались, но разнообразие в Свойства галактик действительно интересны. Ожидается, что эти ранние галактики образовались из схожих материалов, но они уже демонстрируют признаки того, что сильно отличаются друг от друга».
Эти две галактики были среди 60 000 источников света в скоплении Пандоры, обнаруженных на одном из первых изображений глубокого поля, сделанных JWST в 2022 году, в первый год научной работы. Эта область пространства была выбрана отчасти потому, что она расположена за несколькими скоплениями галактик, которые создают эффект естественного увеличения, называемый гравитационным линзированием.
Гравитационное притяжение объединенной массы скоплений искажает пространство вокруг них, фокусируя и увеличивая любой свет, проходящий поблизости, и обеспечивая увеличенное изображение позади скоплений.
В течение нескольких месяцев команда UNCOVER сузила список из 60 000 источников света до 700 кандидатов для последующего исследования, восемь из которых, по их мнению, потенциально могут быть одними из первых галактик. Затем JWST снова указал на скопление Пандоры, записывая спектры кандидатов — своего рода отпечаток пальца, детализирующий количество света, испускаемого на каждой длине волны.
«Несколько разных команд используют разные подходы для поиска этих древних галактик, и у каждой есть свои сильные и слабые стороны», — сказал Лея.
«Тот факт, что мы указываем на эту гигантскую увеличительную линзу в космосе, дает нам невероятно глубокое окно, но это очень маленькое окно, поэтому мы бросали кости. Некоторые из кандидатов не дали окончательных результатов, и по крайней мере один был случаем ошибочная идентичность — это было что-то гораздо более близкое, имитирующее далекую галактику. Но нам повезло, и две оказались именно этими древними галактиками. Это невероятно».
Исследователи также использовали подробные модели, чтобы сделать выводы о свойствах этих ранних галактик, когда они излучали свет, обнаруженный JWST. Как и ожидали исследователи, две галактики были молодыми, имели в своем составе мало металлов, быстро росли и активно образовывали звезды.
«Первые элементы были выкованы в ядрах ранних звезд в процессе термоядерного синтеза», — сказал Лея. «Имеет смысл, что в этих ранних галактиках не было тяжелых элементов, таких как металлы, потому что они были одними из первых фабрик по производству этих тяжелых элементов. И, конечно же, они должны были быть молодыми и звездообразующими, чтобы стать первыми галактиками. , но подтверждение этих свойств является важным базовым тестом наших моделей и помогает подтвердить всю парадигму теории Большого взрыва».
Исследователи отметили, что наряду с гравитационной линзой мощные инфракрасные инструменты JWST должны быть способны обнаруживать галактики на еще большем расстоянии, если они существуют.
«У нас было очень маленькое окно в этот регион, и мы не наблюдали ничего за пределами этих двух галактик, хотя у JWST есть такая возможность», — сказал Лея. «Это может означать, что галактики просто не сформировались до этого времени и что мы не сможем найти ничего дальше. Или это может означать, что нам не повезло с нашим маленьким окном».
Эта работа стала результатом успешного предложения, поданного в НАСА, в котором предлагалось использовать JWST в течение первого года научной работы. За первые три цикла подачи заявок НАСА получило в четыре-десять раз больше предложений, чем позволяло доступное время наблюдений на телескопе, и ему пришлось отобрать лишь часть этих предложений.
«Наша команда была очень взволнована и немного удивлена, когда наше предложение было принято», — сказал Лея. «Это требовало координации, быстрых действий человека и двукратного наведения телескопа на один и тот же объект, а это многого можно требовать от телескопа в первый год его существования. Было большое давление, потому что у нас было всего несколько месяцев, чтобы определить объекты для наблюдения». Но JWST был создан для поиска этих первых галактик, и делать это сейчас так интересно».
Помимо Университета штата Пенсильвания, в команду входят исследователи из Техасского университета в Остине, Технологического университета Суинберна в Австралии, Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле, Йельского университета, Питтсбургского университета, Университета Сорбонны во Франции, Университета им. Копенгагенского университета в Дании, Женевского университета в Швейцарии, Массачусетского университета, Гронингенского университета в Нидерландах, Принстонского университета, Университета Васэда в Японии, Университета Тафтса и Национальной лаборатории оптических и инфракрасных астрономических исследований (NOIR).
Информация от: Университетом штата Пенсильвания.
