Webb odkrył najdalszą znaną nam galaktykę JADES-GS-z14-0

Ta galaktyka oznaczona jako JADES-GS-z14-0 została odkryta przez astronomów badających czas „Kosmicznego Świtu”. Najpierw stała się kandydatką na galaktykę o fotometrycznym przesunięciu ku czerwieniu z_phot=14,4. Następnie potwierdzono tę wartość spektroskopowo z_sp=14.32 +0.08 −0.20 na podstawie widma uzyskanego po około 10 -godzinnym naświetlaniu w spektrografie NIRSpec współpracującym z Teleskopem Webba.

W ciągu ostatnich dwóch lat Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został użyty do badania tego, co astronomowie nazywają Kosmicznym Świtem (ang. Cosmic Dawn). Jest to okres od około 50 milionów od miliarda lat po Wielkim Wybuchu, w którym narodziły się pierwsze gwiazdy, czarne dziury i galaktyki. Te pierwsze galaktyki dostarczają nam istotnych informacji odnośnie ewolucji materii gazowej, gwiazd i czarnych dziury w czasach, gdy Wszechświat był bardzo młody.

W październiku 2023 r. i styczniu 2024 r. międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał Teleskop Webba do obserwacji galaktyk w ramach przeglądu obserwacyjnego JADES (skrót w j.ang. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Z pomocą spektrografu NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) astronomowie uzyskali widmo jednej z galaktyk w polu obserwacyjnym JADES o rekordowym przesunięciu ku czerwieni około 14 – co oznacza, że światło opuściło tę galaktykę i wyruszyło w podróż do nas, gdy Wszechświat liczył zaledwie dwieście dziewięćdziesiąt milionów lat.

Ze względu na ekspansję Wszechświata, światło emitowane przez odległe galaktyki podczas podróży do nas ulega efektowi przesunięcia ku czerwieni, czyli jego długości fali λ stopniowo rośnie. Dla tej galaktyki jest to efekt ekstremalny, ponieważ nawet światło wyemitowane w dalekim ultrafiolecie (np. λ_em~0,1216μm – linia widmowa Lymana alfa zaznaczona na ilustracji tytułowej) jest obserwowana w podczerwieni. Jej długość fali jest zwiększona ~15 razy (λ_obs~1,8μm) zgodnie z wzorem λ_obs/λ_em=1+z. W tym zakresie widma bardzo dobrej jakości obserwacje zbiera tylko Teleskop Webba.

W blogu NASA przez dwóch astronomów (Stefano Carniani - Scuola Normale Superiore - Piza, Włochy / Kevin Hainline - the University of Arizona - Tucson, USA) została opisana droga, która doprowadziła do odkrycia tej najdalszej znanej nam galaktyki oraz poznania jej unikalnych właściwości.

​

Na ilustracji: Zdjęcie w bliskiej podczerwieni zrobione przez kamerę NIRCam w Teleskopie Webba dla przeglądu obserwacyjnego JADES, które pozwoliło małym nakładem pracy (… tylko fotometria) znaleźć interesujące galaktyki do dalszych obserwacji spektroskopowych. Dla jednej z tych galaktyk oznaczonej jako JADES-GS-z14-0 (jest pokazana we wstawce) zmierzono spektroskopowo rekordowe przesunięciu ku czerwieni 14,32 (+0,08/-0,20) – co sprawia, że jest to najodleglejsza znana nam galaktyka mniej niż 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Na zdjęciu barwie niebieskiej odpowiada światło o średnich o długościach fali λ=0,9; 1,15 i 1,50μm, barwie zielonej – λ=2,00 i 2,77μm, barwie czerwonej – λ=3,56; 4,1 i 4,44μm.
Natomiast we wstawce z widokiem m.in. galaktyki JADES-GS-z14-0 barwie niebieskiej odpowiada światło o λ=0,9 i 1,15μm, barwie zielonej – λ=1,5 i 2,00μm, barwie czerwonej – λ=2,77μm.
Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

Instrumenty obserwacyjne Teleskopu Webba zostały specjalnie zaprojektowane do odkrywania i badania najwcześniejszych galaktyk. Już w pierwszym roku obserwacji w ramach przeglądu obserwacyjnego JADES astronomowie znaleźli kilkaset potencjalnych galaktyk z okresu, gdy Wszechświat liczył mniej niż 650 milionów lat (przesunięcie ku czerwieni „z” > 8).

Na początku 2023 roku astronomowie odkryli w polu obserwacyjnym JADES kandydatkę na galaktykę o przesunięcia ku czerwieni ponad 14 na podstawie obserwacji fotometrycznych. Obiekt okazał się zaskakująco jasny - czego nie należałoby oczekiwać po tak odległej galaktyce. Znajdował się również bardzo blisko innej kandydatki na galaktykę – tak, że oba ciała niebieskie wydawały się być częścią jednej, większej struktury.

Ponownie w październiku 2023 r. astronomowie obserwowali tę kandydatkę na galaktykę o rekordowym przesunięciu ku czerwieni w ramach programu JADES Origins Field. Tym razem wykonano jej zdjęcia za pomocą kamery NIRCam z węższymi filtrami niż w sesji obserwacyjnej z początku 2023 roku, a wyznaczone fotometryczne przesunięcie ku czerwieni jeszcze bardziej potwierdziło jego ekstremalną wartość.
Jednak fotometryczne przesunięcie ku czerwieni wyznacza się na podstawie jasności obiektu zaledwie w kilku lub maksymalnie kilkunastu długościach fali (przykład na poniższej ilustracji) – co może prowadzić czasami do błędów, o czym świadczą przykłady z publikacji astronomicznych. Natomiast spektroskopia zapewnia dokładną wartość tego parametru, ale jest bardzo drogą techniką obserwacyjną w porównaniu do fotometrii. Na przykład widmo pokazane na tytułowej ilustracji było naświetlane aż przez około 10 godzin!
Dlatego astronomowie uznali, że jest konieczne uzyskanie widma omawianego obiektu, które pozwoliłoby rozstrzygnąć, czy to jest kamień milowy w badaniach nad wczesnym Wszechświatem, czy też jakaś osobliwa galaktyka o znacznie mniejszym przesunięciu ku czerwieni.

​

Na ilustracji: Galaktyka JADES-GS-z14-0 oznaczona również jako JADES+53.08294-27.85563 - rozkład energii w widmie, czyli SED uzyskany na podstawie zdjęć z Teleskopu Webba w filtrach o różnych długościach fali ( λ) i wyznaczone z tego rozkładu fotometryczne przesunięcie ku czerwieni z=14,4 (SED - skrót z j.ang. Spectral Energy Distribution).
Panel u góry po lewej prezentuje jasności fotometryczne uzyskane w różnych λ za pomocą Webba (kamera NIRCam - punkty w kolorze fioletowym) oraz Teleskopu Hubble’a (kamera ACS – punkty w kolorze czerwonym). Najlepiej dopasowany SED jest pokazany niebieską linią, zaś linia szara reprezentuje najlepsze dopasowanie SED dla małego przesunięcia ku czerwieni z=3,4. W dolnej części tego rysunku widać kolorowe obszary, które odpowiadają krzywym transmisyjnym użytych filtrów w kamerze NIRCam.
Panel u góry po prawej przedstawia rozkład fotometrycznych przesunięć ku czerwieni (niebieska linia), a najlepiej dopasowaną jego wartość reprezentuje przerywana, pionowa linia (z=14,4).
W dolnym panelu widać zdjęcia galaktyki JADES-GS-z14-0 (oznaczonej również NIRCam ID = 183348) w wersji „negatywowej” zrobione w 14 filtrach kamery NIRCam.
Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2312.10033 [astro-ph.GA]

Wreszcie w styczniu 2024 roku spektrograf NIRSpec zaobserwował galaktykę JADES-GS-z14-0. Jak już wcześniej wspomniano, samo naświetlanie widma trwało prawie dziesięć godzin, ale wynik jest godny tak długiego czasu obserwacyjnego Teleskopu Webba. Pokazane na ilustracji tytułowej widmo stanowi dowód, że jest ta galaktyka rzeczywiście posiada przesunięcie ku czerwieni z=14,32. Tym samym został pobity poprzedni rekord najodleglejszej galaktyki (JADES-GS-z13-0 → z=13,2).

To odkrycie ustanowiło nie tylko nowy rekord odległości, ale również pozwoliło poznać naturę tej galaktyki. W szczególności wiemy, że musi być bardzo jasna. Wiele galaktyk emituje ekstremalnie dużo promieniowania elektromagnetycznego, gdy w ich wnętrzu uaktywnia się kwazar, czyli supermasywna czarna dziura, na którą opada poprzez dysk akrecyjny duża ilość materii gazowej wyświecającej swoją grawitacyjną energię potencjalną w całym zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego. Jednak źródłem ekstremalnej jasności galaktyki JADES-GS-z14-0 nie jest kwazar, ponieważ na podstawie analizy zdjęć wyznaczono średnicę galaktyki na ponad 1600 l.św. Astronomowie uważają, że ta ogromna ilość fotonów jest generowana przez młode gwiazdy, których masę szacuje się na kilkaset milionów mas Słońca. Na razie pozostaje bez odpowiedzi pytanie w jaki sposób mogła powstać taka jasna, masywna i duża galaktyka w czasie krótszym od 300 milionów lat?

Już nawet w materiale obserwacyjnym galaktyki JADES-GS-z14-0 widać efekt poczerwienienia, wywołany selektywną absorpcją światła przez pył (im bardziej energetyczne jest promieniowanie tym silniej jest pochłaniane przez pył).
Dodatkowo obserwacje w średniej podczerwieni (λ~7,7μm) przez instrument MIRI ujawniły, że ta galaktyka jest o wiele jaśniejsza niż wynikałoby to z ekstrapolacji w mniejszych długości fali. Wskazuje to na detekcję silnie zjonizowanych emisji gazowych – szczególnie pochodzących od wodoru i tlenu. Szczególnie obecność tego ostatniego pierwiastka sugeruje, że już wtedy wiele pokoleń gwiazd masywnych musiało się narodzić i umrzeć, aby wzbogacić galaktykę JADES-GS-z14-0 w ciężkie pierwiastki, które dają się zaobserwować.

Wszystkie te obserwacje mówią nam, że JADES-GS-z14-0 nie jest podobna do typów galaktyk, które zostały przewidziane przez modele teoretyczne i symulacje komputerowe, jako realne byty we wczesnym Wszechświecie. Na podstawie jasność na moment obserwacji astronomowie zasymulowali dalszą jej ewolucję. Nie udało się znaleźć żadnego, podobnego obiektu wśród setek galaktyk o dużym przesunięciu ku czerwieni badanych w tym programie obserwacyjnym.
Astronomowie przeszukali stosunkowo mały obszar nieba i znaleźli galaktykę JADES-GS-z14-0. Dlatego z punktu widzenia statystyki powinno istnieć wiele podobnych, jasnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Taka analiza populacji galaktyk już 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu została przedstawiona przez część zespołu JADES pod kierunkiem B. Robertsona.
Dzięki obserwacjom Webba właśnie ukazuje się nam na niezwykła różnorodność galaktyk, które istniały podczas Kosmicznego Świtu.

​

Na ilustracji: Zdjęcie pola obserwacyjnego programu JADES o powierzchni 27,5 arcmin2, gdzie poszukiwano wielu kandydatek na najdalsze galaktyki. Na zdjęciu barwie niebieskiej przypisano filtr F090W (średnia długość fali λ=0,9μm), barwie zielonej – filtr F200W (λ=2,00μm), barwie czerwonej  – filtr F444W (λ=4,44μm).
We wstawkach pokazano fragmenty nieba o polach 0,86 arcsec2 na najbardziej obiecujące kandydatki na najodleglejsze galaktyki o fotometrycznych przesunięciach ku czerwieni z_phot >11,5. We wstawkach barwie niebieskiej odpowiadają filtry o średnich długościach fali λ=0,9 / 1,15μm; barwie zielonej – filtry o λ=2,00 / 2,10μm; barwie czerwonej – filtry o λ=3,56 / 4,10μm. Dla każdej z tych kandydatek podano podano fotometryczne „z” oraz identyfikator roboczy NIRCam ID. Jeden z tych obiektów oznaczony NIRCam ID=183348 został potwierdzony spektroskopowo jako galaktyka JADES-GS-z14-0 o przesunięciu z=14,32. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2312.10033 [astro-ph.GA]

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Więcej informacji:
    •  (publikacja naukowa 1) → A shining cosmic dawn: spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at  z∼14
    • (publikacja naukowa 2) → JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14
    •  (publikacja naukowa 3) → Earliest Galaxies in the JADES Origins Field: Luminosity Function and Cosmic Star-Formation Rate Density 300 Myr after the Big Bang
    • NASA’s James Webb Space Telescope Finds Most Distant Known Galaxy
    •  Astronomowie pomagają znaleźć najodleglejszą galaktykę za pomocą JWST
    •  Jak określić fotometryczne przesunięcie ku czerwieni galaktyk z pomocą Webba?
   

Źródło: NASA, ESA, CSA

Na ilustracji: Widmo odległej galaktyki JADES-GS-z14-0 w bliskiej podczerwieni uzyskane za pomocą spektrografu NIRSpec funkcjonującego na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Ponad 14-krotne przesunięcie ku czerwieni struktury widmowej zwanej skokiem Lymana alfa (laboratoryjna długości fali 0,1216μm) stanowi dowód obserwacyjny, że jest to obecnie najdalsza znana nam galaktyka. Widzimy ją jak wyglądała około 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI). Science: S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration