W centrum tego niepozornego zdjęcia nieba z pogranicza konstelacji Ryb oraz Andromedy (ekspozycja ~9,7 godzin) znajduje różowy, również niepozorny obiekt z ośmioma pierścieniami dyfrakcyjnymi zwanymi popularnie „spajkami” - znak rozpoznawczy Teleskopu Webba. Jest to kwazar J0100+2802 odległy o ponad 12,8 miliardów l.św. (z=6,3). Ten kwazar nie jest tutaj najważniejszy, a odkryta ponad setka galaktyk, które istniały wtedy, gdy Wszechświat liczył około 900 milionów lat. Obserwacje spektroskopowe uzyskane za pomocą teleskopu Webba po raz pierwszy dowiodły, że właśnie wokół tych galaktyk przestrzeń staje się przeźroczysta. Właśnie wtedy era rejonizacji Wszechświata zbliżała się do końca!
We wczesnym Wszechświecie materia gazowa pomiędzy gwiazdami i galaktykami była nieprzeźroczysta. Energetyczne fotony emitowane przez gwiazdy nie mogły przez nią przeniknąć. Ale około 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu ten gaz stał się całkowicie przeźroczysty. Dlaczego? Nowe obserwacje uzyskane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dokładnie określiły przyczynę. Gwiazdy w galaktykach wyemitowały wystarczającą ilość światła do ogrzania i jonizacji gazu wokół tych galaktyk - sprawiając, że przez setki milionów lat Wszechświat stał się przeźroczysty.
W dniu 12 czerwca 2023 r. ukazały się trzy publikacje z wynikami grupy badawczej „EIGER” kierowanej przez Simona Lilly (ETH Zürich, Szwajcaria), które rzucają nowe światło na okres zwany erą rejonizacji, gdy Wszechświat doznał tych dramatycznych zmian. Po Wielkim Wybuchu materia gazowa była ekstremalnie gorąca i gęsta. Przez setki milionów lat ten gaz schłodził się. Następnie nastąpiła powtórka. Materia gazowa ponownie stała się gorąca i zjonizowana najprawdopodobniej w wyniku powstania młodych gwiazd w galaktykach, i w ciągu milionów lat stała się przeźroczysta.
Astronomowie od dawna poszukiwali ostatecznych dowodów, które mogłyby wyjaśnić tą transformację. Najnowsze wyniki przekonująco pokazały koniec ery rejonizacji. Główny autor pierwszej publikacji grupy EIGER Daichi Kashino (Nagoya University, Japonia) wyjaśnił to następująco:
Teleskop Webb nie tylko ewidentnie pokazał, że te przeźroczyste obszary występują wokół galaktyk, ale również zmierzyliśmy ich wielkość. W danych z Teleskopu Webba widzimy galaktyki rejonizujące gaz wokół nich.
Te obszary z przeźroczystą materią gazową są ogromne w porównaniu do wielkości galaktyk – coś jak balon wypełniony nagrzanym powietrzem i ziarnko grochu wewnątrz. Obserwacje uzyskane Teleskopem Webba pokazują, że te względnie malutkie galaktyki spowodowały rejonizację – usuwając nieprzeźroczystość w ogromnych obszarach przestrzeni wokół nich. Przez kolejne setki milionów lat te przeźroczyste „bąble” powiększały się, łączyły i ostatecznie cały Wszechświat stał się przeźroczysty.
W czasie ery rejonizacji ponad 13 miliardów lat temu materia gazowa pomiędzy galaktykami była nieprzeźroczysta, uniemożliwiając obserwacje młodych galaktyk. W miarę, jak powstawały gwiazdy i galaktyki i dalej ewoluowały - następowała stopniowa transformacja materii gazowej ze stanu neutralności elektrycznej i nieprzeźroczystości do stanu zjonizowanego i przejrzystości. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)
Astronomowie celowo wybrali do analizy moment czas przez końcem ery rejonizacji, kiedy Wszechświat jeszcze nie do końca był przeźroczysty. Zawierał mieszaninę gazu w różnych stanach. W tym celu Teleskop Webba został skierowany w kierunku kwazara J0100+2802, czyli ekstremalnie jasnej, aktywnej, supermasywnej (~10miliardów M☉) czarnej dziury, która działa jak olbrzymi reflektor (jasność kilkadziesiąt tysięcy razy większa od Drogi Mlecznej!) oświetlając gaz pomiędzy kwazarem i Teleskopem Webba. Tego kwazara można znaleźć w centralnej części poniższego zdjęcia, jako różowy obiekt otoczony charakterystycznymi ośmioma promieniami dyfrakcyjnymi („spajkami”), które są artefaktami wynikającymi z konstrukcji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Gdy światło podróżowało od kwazara J0100+2802 (kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni z=6,3; odległość 12,8 miliardów l.św.) do nas przez różne obszary z materią gazową to, albo było absorbowane przez nieprzeźroczysty gaz, albo poruszało się swobodnie przez przeźroczysty gaz. Omawiane wyniki były możliwe do uzyskania tylko dzięki połączeniu wyników obserwacji kwazara za pomocą Teleskopu Webba oraz naziemnych teleskopów w obserwatoriach M.Keck Observatory, ESO (teleskop VLT) i Las Campas Observatory (Magellan Telescope).
Następnie astronomowie z grupy EIGER wykorzystali dane z Teleskopu Webba, aby zidentyfikować galaktyki w pobliżu kierunku obserwacji na kwazara i pokazali, że na ogół te galaktyki są otoczone przez przeźroczyste obszary o promieniu około 2 milionów l.św.
Innymi słowy, Teleskop Webba zaprezentował przykłady galaktyk w trakcie trwania procesu oczyszczania przestrzeni wokół nich przy końcu ery rejonizacji. Promień obszaru, który stał się przeźroczysty wokół tych galaktyk odpowiada mniej więcej odległości pomiędzy Drogą Mleczną i Galaktyką Andromedy.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba sfotografował fragment nieba (przekątna ~6,7’) w bliskiej podczerwieni (~3,5μm) zawierający ponad 20 tysięcy galaktyk - na pograniczu konstelacji Ryb i Andromedy.
Astronomowie z grupy EIGER skupili się na badaniach kwazara J0100+2802 (różowy obiekt z ośmioma „spajkami” w centralnej części zdjęcia) i szczególnych 117 galaktyk, które istniały około 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Astronomowie odkryli, że te galaktyki jonizowały otaczający gaz – sprawiając, że stał się przeźroczysty. Materiał obserwacyjny zebrany przez Teleskop Webba z kamerą NIRCam podczas 9,7-godzinnego naświetlania tego obszaru nieba (zdjęcia w trzech filtrach + spektroskopia) pozwolił wyznaczyć promień tych przeźroczystych „bąbli” wokół galaktyk na około 2 miliony l.św. Z czasem te obszary powiększały się i łączyły - i sprawiły, że w końcu Wszechświat stał się przeźroczysty. Te wyniki grupy astronomów EIGER zapewniły istotny wgląd w erę rejonizacji.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zürich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zürich), Christina Eilers (MIT), Rob Simcoe (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zürich); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI), Ruari Macke
Jak wyglądały galaktyki, gdy Wszechświat liczył 900 milionów?
Wyjaśnił to główny autor drugiej publikacji grupy EIGER Jorryt Matthee (ETH Zürich, Szwajcaria) – wyglądają one bardziej chaotycznie niż galaktyki w bliskim nam Wszechświecie. Teleskop Webba pokazuje, że w nich powstawały gwiazdy i musiało wybuchać wiele supernowych. Młodość musiały mieć więc wypełnioną przygodami!
Jednocześnie wykorzystując obserwacje Teleskopu Webba potwierdzono, że czarna dziura w kwazarze J0100+2802 w centrum opisywanego zdjęcia jest obecnie najbardziej masywnym, znanym nam kwazarem we wczesnym Wszechświecie o masie około 10 miliardów mas Słońca. Wyjaśnia to główna autorka trzeciej publikacji grupy EIGER Anna-Christina Eilers (MIT,USA) – nadal nie potrafimy wyjaśnić, w jaki sposób kwazary mogły stać się tak duże we wczesnym Wszechświecie. Jest to jeszcze jedna zagadka do rozwiązania!
Na tych znakomitej jakości zdjęciach zrobionych Teleskopem Webba również nie znaleziono śladów soczewkowania grawitacyjnego światła kwazara – co oznacza, że to wyznaczenie masy kwazara J0100+2802 jest ostateczne.
Nazwa grupy badawczej „EIGER” kierowanej przez Simona Lilly pochodzi od skrótu w języku angielskim Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization, a przy okazji oznacza nazwę szczytu w Alpach. Celem tego międzynarodowego projektu są badania galaktyk z widmowymi liniami emisyjnymi i materii międzygalaktycznej w epoce rejonizacji za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i jego instrumentów.
Astronomowie z grupy EIGER zademonstrowali niezwykłe możliwości kamery NIRCam (Near-Infrared Camera) współpracującej z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba w trybie bezszczelinowej spektroskopii, która jednocześnie pozwala robić zdjęcia nieba jak i widma każdego obiektu na zdjęciu. Astronomowie z grupy EIGER żartobliwie nazwali tą konfigurację Webba „maszyną znakomitą do spektroskopowych przesunięć ku czerwieni” (ang. „spectacular spectroscopic redshift machine”).
Na przykład zdjęcie z kwazarem J0100+2802 z ilustracji tytułowej było naświetlane w tej konfiguracji Webba przez około 9,7 godzin.
Astronomowie z grupy EIGER będą podobnie analizowali jeszcze pięć innych pól na niebie z kwazarami w centrum zdjęcia.
Zrobione przez Teleskop Webb zdjęcia kilku galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat liczył zaledwie 900 milionów lat. Ujawnia się chaotyczna natura tych wczesnych galaktyk, w których intensywnie powstają gwiazdy. Są to takie zgęstki materii - często wydłużone.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zurich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zurich), Christina Eilers (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zurich), Image Processing: Alyssa Pagan (STScI), Ruari Mackenzie (ETH Zurich)
Opracowanie Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
NASA’s Webb Proves Galaxies Transformed the Early Universe
Projekt EIGER (skrót z j.ang,: Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) badania galaktyk z widmowymi liniami emisyjnymi i materii międzygalaktycznej w epoce rejonizacji.
Publikacje naukowe (świeżo opublikowane w Ap.J. dn.12 czerwca 2023 r.- dostęp otwarty):
EIGER. I. A Large Sample of [O III]-emitting Galaxies at 5.3 < z < 6.9 and Direct Evidence for Local Reionization by Galaxies
EIGER. II. First Spectroscopic Characterization of the Young Stars and Ionized Gas Associated with Strong Hβ and [O III] Line Emission in Galaxies at z = 5–7 with JWST
EIGER. III. JWST/NIRCam Observations of the Ultraluminous High-redshift Quasar J0100+2802
Źródło: NASA, ESA, CSA
W centrum ilustracji znajduje się kwazar J0100+2802 (z=6,3)–niepozorny, różowy obiekt z ośmioma pierścieniami dyfrakcyjnymi - „spajkami”, będącymi znakiem rozpoznawczym Teleskopu Webba (gwiazdy tła mają te spajki dłuższe i w kolorze niebieskim). Na tym zdjęciu w podczerwieni na pograniczu konstelacji Ryb i Andromedy widać również tysiące różnokolorowych galaktyk. Niektóre z tych najmniejszych są w odcieniach pomarańczowych lub różowych. Najbardziej odległe galaktyki wyglądają jak pojedyncze kropki świetlne.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zürich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zürich), Christina Eilers (MIT), Rob Simcoe (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zürich); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI) Ruari Macken
