JWST-spektrometer förfinar rödförskjutningar av avlägsna galaxer

NIRSpec-instrumentet på rymdteleskopet James Webb (JWST) har avslöjat att en galax långt borta som tidigare troddes ha en rekordstor rödförskjutning på 16.4 faktiskt är mycket närmare jorden. Studien har också bekräftat att några andra objekt som observerats av JWST är bland de mest avlägsna galaxer som någonsin setts.

Kosmologisk rödförskjutning är ett mått på hur mycket en galax ljus har sträckts ut till längre, rödare våglängder genom universums expansion. Ju högre rödförskjutning, desto mer tid måste ljuset från en galax ha ägnat åt att röra sig genom det expanderande kosmos. Det betyder att vi ser objekt med hög rödförskjutning som de såg ut för mycket länge sedan – och att objekten är väldigt långt borta.

Astronomer är mycket angelägna om att studera galaxer med hög rödförskjutning eftersom de ger ett fönster in i det tidiga universum. Faktum är att nya observationer stöder en bild som framträder av att galaxer i det tidiga universum var mer massiva, mer utvecklade och mer ljusa än vad som tidigare förutspåtts.

Flera svaga galaxer

Sommaren 2022 visade JWST:s första djupa undersökningar av det avlägsna universum flera svaga galaxer som uppskattades vara de högsta rödförskjutningsgalaxer som någonsin setts.

Ett objekt kallas Maisies galax som upptäcktes i JWST-data av ett team ledd av Steve Finkelstein vid University of Texas i Austin. Galaxen ansågs ursprungligen ha en rödförskjutning på 14.3, vilket skulle ha placerat den bara 280 miljoner år efter Big Bang. En annan kandidat, CEERS-93316, hittat av ett team som leds av Callum Donnan vid University of Edinburgh, verkade ha en rödförskjutning på 16.4, vilket motsvarar bara 250 miljoner år efter Big Bang.

Som jämförelse var den mest avlägsna bekräftade galaxen som var känd före lanseringen av JWST Gn-z11, som har en rödförskjutning på 11.6.

Reviderade rödförskjutningar

Dessa tidiga JWST-mätningar gjordes med hjälp av en fotometrisk teknik, som mäter den totala rodnaden hos en galax. Även om denna teknik kan användas på svaga, avlägsna föremål, kan den påverkas av närvaron av damm och är inte lika exakt som att mäta skiftningarna av enskilda spektrallinjer. Nu har ett team av astronomer använt JWST:s Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) för att observera galaxerna och har förfinat rödförskjutningsuppskattningarna – med blandade resultat.

"Tyvärr visade sig rödförskjutning 16.4-kandidaten [CEERS-93316] vara låg rödförskjutning", säger Donnan, som är medlem i teamet som leds av Pablo Arrabal Haro från NOIRLab i Arizona. Eftersom NIRSpec-data omedelbart offentliggjordes utan egen tid för forskarna som föreslog observationerna, var Haros team tvungna att skriva sitt papper på mindre än tre dagar för att undvika att bli misshandlad.

Istället för att vara på 16.4, visade sig CEERS-93316 vara en dammig galax med en rödförskjutning på 4.9, vilket betyder att vi ser den som den fanns för 12.5 miljarder år sedan. Donnans team hade tidigare trott att de hade ett starkt argument för en rekordstor rödförskjutning, särskilt som galaxen visade starkt blått och ultraviolett strålning i sin viloram (som det ser ut med borttagen rödförskjutning).

Kombinationen av mycket starka emissionslinjer i kombination med det faktum att en av dessa linjer, av väte-alfa-våglängden, var i en position där tre av NIRSpecs filter överlappar varandra så att emissionslinjen bidrar till alla tre, gav felaktigt intrycket att CEERS-93316 var en i sig själv lysande galax med en mycket högre rödförskjutning.

Maisies galax

Det fanns bättre nyheter i rödförskjutningsinsatserna för Maisies Galaxy, som visade sig ha en rödförskjutning på 11.4. Detta är fortfarande en mycket hög rödförskjutning och indikerar en galax som är dammfri. Galaxen har också en relativt hög stjärnbildningshastighet och en total stjärnmassa på 250 miljoner gånger solens massa. Denna massa hade växt under en period av 30–120 miljoner år innan vi såg Maisies galax.

Ytterligare åtta galaxer har nu också visat sig av NIRSpec ha rödförskjutningar större än 10. Den nuvarande rekordhållaren är JADES-GS-z13-0, som har en spektroskopiskt bekräftad rödförskjutning på 13.2 och som vi ser som den existerade bara 350 miljoner år efter Big Bang.

Donnan är fortfarande hoppfull om att JWST kommer att kunna upptäcka galaxer med spektroskopiska rödförskjutningar större än 14. "Det är möjligt, särskilt vid djupare avbildning", säger han till Fysikvärlden.

Dammproduktion

Inte för att en välstuderad galax med en rödförskjutning på 4.9 är något att nosa på. Att studera egenskaperna hos galaxer som fanns när universum var drygt en miljard år gammalt är avgörande för att förstå hur galaxer har utvecklats när det gäller deras stjärnbildning. Detta kan utläsas från mängden damm som på varandra följande generationer av stjärnor producerar – samma damm som gör att CEERS-93316 ser rödare ut.

"Vi behöver göra en mer detaljerad analys av egenskaperna hos CEERS-93316, men det verkar vara dammigt", säger Donnan. "Vi måste titta närmare på dess stjärnbildningshistoria om vi vill förstå hur det kom till."

Samtidigt planeras ytterligare observationer för galaxerna med mycket hög rödförskjutning som Maisies Galaxy enligt Finkelstein, som också är involverad i NIRSpec-studien.

Djupare spektroskopi

"Nästa steg är definitivt djupare spektroskopi, för att undersöka exakt vad som gör att [Maisie's Galaxy] är så blå", säger han och syftar på dess färg på viloramen. Den ledande teorin är att tidiga galaxer som Maisies galax hade en högre andel lysande, blå, massiva stjärnor jämfört med galaxer idag. Observationer med ett av Keck 10-metersteleskopen på Hawaii pågår redan, och Finkelstein hoppas kunna följa upp JWST i framtiden.

"Vi kommer att leta efter svagare vilo-UV-emissionslinjefunktioner, som är diagnostik för saker inklusive närvaron av mycket massiva stjärnor och även hur intensivt stjärnljuset är från stjärnorna vi ser", säger Finkelstein.

I slutändan är fynden en påminnelse om behovet av spektroskopisk bekräftelse av galaxens rödförskjutningar och att tills sådana mätningar görs bör vi ta påståenden om rekordstora fotometriska rödförskjutningar med försiktighet.

Forskningen beskrivs i en förtryck på arXiv.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/jwst-spectrometer-refines-redshifts-of-distant-galaxies/