JWST-spektrometer forfiner rødforskydninger af fjerne galakser

JWST-spektrometer forfiner rødforskydninger af fjerne galakser

Tidsstempel: 18. april 2023 kl. 6

NIRSpec
Inden løftet NIRSpec-instrumentet bliver testet på jorden før lanceringen af ​​JWST.(Courtesy: NASA/Chris Gunn)

NIRSpec-instrumentet på James Webb Space Telescope (JWST) har afsløret, at en langt væk galakse, der tidligere menes at have en rekordstor rødforskydning på 16.4, faktisk er meget tættere på Jorden. Undersøgelsen har også bekræftet, at nogle andre objekter observeret af JWST er blandt de fjerneste galakser, der nogensinde er set.

Kosmologisk rødforskydning er et mål for, hvor meget en galakses lys er blevet strakt til længere, rødere bølgelængder ved universets udvidelse. Jo højere rødforskydning, jo mere tid må lyset fra en galakse have brugt på at bevæge sig gennem det ekspanderende kosmos. Det betyder, at vi ser objekter med høj rødforskydning, som de så ud for meget længe siden – og at objekterne er meget langt væk.

Astronomer er meget opsatte på at studere galakser med høj rødforskydning, fordi de giver et vindue ind i det tidlige univers. Faktisk understøtter nyere observationer et billede af, at galakser i det tidlige univers var mere massive, mere udviklede og mere lysende end tidligere forudsagt.

Flere svage galakser

I sommeren 2022 viste JWST's første dybe undersøgelser af det fjerne univers adskillige svage galakser, der blev anslået til at være de højeste rødforskydningsgalakser nogensinde set.

Et objekt kaldes Maisies galakse der blev opdaget i JWST-dataene af et hold ledet af Steve Finkelstein fra University of Texas i Austin. Galaksen blev oprindeligt antaget at have en rødforskydning på 14.3, hvilket ville have placeret den kun 280 millioner år efter Big Bang. En anden kandidat, CEERS-93316, fundet af et hold ledet af Callum Donnan fra University of Edinburgh, så ud til at have en rødforskydning på 16.4, hvilket svarer til kun 250 millioner år efter Big Bang.

Til sammenligning var den fjerneste bekræftede galakse kendt før lanceringen af ​​JWST Gn-z11, som har en rødforskydning på 11.6.

Reviderede rødforskydninger

Disse tidlige JWST-målinger blev foretaget ved hjælp af en fotometrisk teknik, som måler den generelle rødme af en galakse. Selvom denne teknik kan bruges på svage, fjerne objekter, kan den blive påvirket af tilstedeværelsen af ​​støv og er ikke så nøjagtig som at måle skift af individuelle spektrallinjer. Nu har et hold af astronomer brugt JWST's Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) til at observere galakserne og har forfinet estimaterne for rødforskydning - med blandede resultater.

"Desværre viste rødforskydning 16.4-kandidaten [CEERS-93316] sig at være lav rødforskydning," siger Donnan, som er medlem af teamet ledet af Pablo Arrabal Haro fra NOIRLab i Arizona. Fordi NIRSpec-dataene øjeblikkeligt blev offentliggjort uden ejendomsretlig tid for de videnskabsmænd, der foreslog observationerne, måtte Haros team skrive deres papir på mindre end tre dage for at undgå at blive slået.

I stedet for at være på 16.4 blev CEERS-93316 fundet at være en støvet galakse med en rødforskydning på 4.9, hvilket betyder, at vi ser den, som den eksisterede for 12.5 milliarder år siden. Donnans team havde tidligere troet, at de havde et stærkt argument for en rekordstor rødforskydning, især da galaksen udviste stærk blå og ultraviolet emission i sin hvileramme (som den ser ud med rødforskydningen fjernet).

Kombinationen af ​​meget stærke emissionslinjer kombineret med det faktum, at en af ​​disse linjer, med hydrogen-alfa-bølgelængden, var i en position, hvor tre af NIRSpecs filtre overlapper hinanden, så emissionslinjen bidrager til alle tre, gav fejlagtigt indtryk af at CEERS-93316 var en iboende lysende galakse med en meget højere rødforskydning.

Maisies galakse

Der var bedre nyheder i rødforskydningsindsatsen for Maisies Galaxy, som blev afsløret med en rødforskydning på 11.4. Dette er stadig en meget høj rødforskydning og indikerer en galakse, der er støvfri. Galaksen har også en relativt høj stjernedannelseshastighed og en samlet stjernemasse på 250 millioner gange Solens masse. Denne masse var vokset over en periode på 30-120 millioner år før det tidspunkt, vi så Maisies Galaxy.

Yderligere otte galakser har nu også vist sig af NIRSpec at have rødforskydninger større end 10. Den nuværende rekordholder er JADES-GS-z13-0, som har en spektroskopisk bekræftet rødforskydning på 13.2, og som vi ser, som den eksisterede blot 350 millioner år efter Big Bang.

Donnan håber stadig på, at JWST vil være i stand til at opdage galakser med spektroskopiske rødforskydninger større end 14. "Det er muligt, især ved dybere billeddannelse," fortæller han Fysik verden.

Støvproduktion

Ikke at en velundersøgt galakse med en rødforskydning på 4.9 er noget at snuse til. At studere egenskaberne ved galakser, der eksisterede, da universet var lidt over en milliard år gammelt, er afgørende for at forstå, hvordan galakser har udviklet sig med hensyn til deres stjernedannelse. Dette kan udledes af mængden af ​​støv, som successive generationer af stjerner producerer - det samme støv, der får CEERS-93316 til at se rødere ud.

"Vi skal lave en mere detaljeret analyse af egenskaberne af CEERS-93316, men det ser ud til at være støvet," siger Donnan. "Vi er nødt til at se nærmere på dens stjernedannelseshistorie, hvis vi vil forstå, hvordan den opstod."

I mellemtiden er der planlagt yderligere observationer for galakser med meget høj rødforskydning, såsom Maisies Galaxy ifølge Finkelstein, som også er involveret i NIRSpec-undersøgelsen.

Dybere spektroskopi

"Det næste trin er helt klart dybere spektroskopi, for at undersøge præcis, hvad der forårsager [Maisie's Galaxy] til at være så blå," siger han og refererer til dens hvileramme-farve. Den førende teori er, at tidlige galakser som Maisies Galaxy havde en højere andel af lysende, blå, massive stjerner sammenlignet med galakser i dag. Observationer ved hjælp af et af Keck 10-meter teleskoperne på Hawaii er allerede i gang, og Finkelstein håber at følge op med JWST i fremtiden.

"Vi vil lede efter svagere rest-UV-emissionslinjefunktioner, som er diagnostik for ting, herunder tilstedeværelsen af ​​meget massive stjerner og også hvor intenst stjernelyset er fra stjernerne, vi ser," siger Finkelstein.

I sidste ende er resultaterne en påmindelse om behovet for spektroskopisk bekræftelse af galakse rødforskydninger, og at indtil sådanne målinger er foretaget, bør vi tage påstande om rekordstore fotometriske rødforskydninger med forsigtighed.

Forskningen er beskrevet i en fortryk på arXiv.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden