Det var en aktiv sista dag på Första vetenskapliga resultat från JWST konferens på Space Telescope Science Institute i Baltimore, USA, där diskussionen gick till några otroliga observationer av kvasarer över rödförskjutning 6, som visade dem som de existerade för mer än 12.7 miljarder år sedan.
Som de kompakta kärnorna i galaxer med extremt aktiva supermassiva svarta hål vet vi att kvasarer kan lysa många gånger starkare än deras värdgalax. I sin presentation, John Silverman från University of Tokyo beskrev hur data från JWST:s CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) undersökningen följer upp ett dussin kvasarer med hög rödförskjutning som ursprungligen identifierades av Subaru teleskop på Mauna Kea.
Under hela konferensen har astronomer skämtat om att hög rödförskjutning inte längre betyder vad det brukade betyda. Innan JWST kom, innebar hög rödförskjutning för rymdteleskopet Hubble att värdgalaxerna för kvasarer löstes ut till ungefär rödförskjutning 2, eller ungefär 10 miljarder år i det förflutna. Nu löser JWST strukturerna för värdgalaxer runt kvasarer vid rödförskjutning 6 (för nästan 12.7 miljarder år sedan).
Mycket hände i universum mellan rödförskjutningar 2 och 6, och astronomer är angelägna om att se om förhållandet mellan massan av ett supermassivt svart hål i centrum av en galax i förhållande till massan av dess värdgalax (eller mer specifikt stjärnmassan av galaxens utbuktning) håller fortfarande vid de högsta rödförskjutningarna. Svaret kommer att berätta om de förhållanden under vilka supermassiva svarta hål och galaxer bildades och hur de påverkade varandras tillväxt.
Massförhållandet mellan ett supermassivt svart hål och utbuktningen av en galax runt det är 1:200, med detta värde som tros vara kopplat till återkoppling från det svarta hålet i form av utflöden av strålning som spyr ut när det ansamlas materia. Relationen kvantifierades först av observationer med Hubble Space Telescope på 1990-talet, med Silverman kallade det "fundamental".
Det visar sig att galaxer med hög rödförskjutning verkligen också håller fast vid detta förhållande. Silverman sa att astronomer har riktat in sig på rödförskjutning 6 eftersom det är vid denna rödförskjutning som simuleringar av galaxer tenderar att skilja sig mest. Vad astronomer verkligen behöver är några hårda och snabba data att mata in i simuleringarna, och JWST har gärna ställt upp.
Den typiska galaxen som är värd för en kvasar vid denna rödförskjutning är bara 8 % så lysande som kvasaren. Men det är faktiskt möjligt att ta bort bländningen av en kvasar ur bilden – eftersom kvasaren i sig verkar punktliknande manifesterar den sig som diffraktionsspikar som kan tas bort med en punktspridningsfunktion.
JWST tycker att galaxerna är ganska kompakta och skivformade, med förvånansvärt väldefinierade spiralarmar och centrala stänger bara en miljard år efter Big Bang. I hennes föredrag, Madeline Marshall, från NRC Herzberg i Victoria, Kanada, diskuterade de första kvasarresultaten med hög rödförskjutning från JWST:s Nära-infraröd spektrometer (NIRSpec), och finner att deras svarta hål väger miljarder solmassor, och massan av deras värdgalaxer ligger i området hundratals miljarder, och verkar därför bibehålla massförhållandet som observerats vid lägre rödförskjutning.
Hur exakt svarta hål växte till att bli så massiva så tidigt i universum är fortfarande under debatt, men förhoppningsvis kommer JWST att börja ge några svar. Bara för att ge en indikation på teleskopets kraft är JWST:s upplösning så bra att några av kvasarbilderna visar följeslagargalaxer som smälter samman eller interagerar med huvudgalaxen, har tidvattensvansar och stjärnbildningsskurar med en hastighet av 30–50 solmassor. per år.
Exoplaneter och protoplanetära skivor
Tidigare under dagen hamnade exoplaneter och protoplanetära skivor i rampljuset. Olivier Berné från Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse avslöjade en lösning på hur planeter kan bildas i de ultravioletta strålningsrika miljöerna i stora stjärnhopar.
Dessa stjärnhopar producerar sin beskärda del av heta, unga, massiva stjärnor som sänder ut massor av ultraviolett strålning som i princip borde erodera protoplanetära skivor runt angränsande stjärnor med lägre massa. Berné rapporterade hur JWST astronomer, som arbetar med kollegor från Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, har observerat kemin hos dessa sårbara skivor och upptäckt ett varmt hölje av molekylär gas som omger dem.
Kuverten är rika på polycykliska aromatiska kolväten, som har en stark infraröd spektral signatur som utmärker sig för JWST. De har också en hög ultraviolett opacitet, så de kan blockera mycket av den skadliga ultravioletta strålen från utsidan av en skiva, vilket skyddar de tidiga stadierna av planetbildningen.
Inuti en planetbildande skiva
En protoplanetarisk skiva där planetbildningen har gått ganska långt är PDS 70. Den kom till nyheterna 2018 och 2021 när astronomer som använde ALMA kunde avbilda ringar i PDS 70-talsskivor som verkar ha hugnats ut av två unga planeter.
Giulia Perotti från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg avslöjade hur JWST nu kan mäta kemi inom den inre regionen av PDS 70:s protoplanetära skiva. Den verkar vara berikad med små dammkorn som har behandlats termiskt, möjligen av utbrott från den unga stjärnan. Den inre skivan är under tiden skev, möjligen från påverkan av en annan, osynlig planet. Kemiskt har även vatten och syre upptäckts i skivan. PDS 70 fortsätter att vara vårt bäst studerade exempel på planeter som bildas i en skiva av gas och damm.
WASP atmosfärer
Under tiden, Kevin Stevenson från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory uppdaterade delegater om JWST:s observationer av atmosfären hos äldre exoplaneter. Först berättade han om rymdteleskopets observationer av WASP-39b – en "het Jupiter" 700 ljusår bort.
Dessa observationer gjordes när WASP-39b passerade sin stjärna, med en del av stjärnans ljus som absorberades av atomer och molekyler i planetens atmosfär när den passerade. Med hjälp av denna "transmissionsspektroskopi" upptäckte JWST kolmonoxid, kalium, natrium och vatten i atmosfären av WASP-39b, såväl som svaveldioxid, som är en produkt av fotokemi.
Det är första gången fotokemiska processer, där strålning från stjärnan förändrar molekyler, har upptäckts på någon exoplanet. Frånvaron av en stark metanlinje vid 3.3 mikron är också ett bevis på att fotokemi omvandlar metan till andra molekylarter.
Stevenson fortsatte sedan med att förhandsgranska resultat från en annan het Jupiter – planeten WASP-43b, som ligger 284 ljusår bort. När JWST:s föregångare, Spitzer Space Telescope, observerade WASP-43b kunde det inte upptäcka några termiska utsläpp från planetens nattsida, vilket betyder att det måste vara kallt, bortom Spitzers gränser för att upptäcka.
Stevenson avslöjade att JWST nu hade upptäckt denna svaga termiska emission och – även om han inte kunde ge några detaljer – beskrev han hur att göra denna mätning och mäta temperaturen på nattsidan skulle göra det möjligt för forskare att bättre begränsa egenskaperna hos de tidvattenlåsta- planetens atmosfär.
Tantalizing TRAPPIST-1
Vi hörde också nya fynd från planetsystemet TRAPPIST-1, som består av sju planeter i omloppsbana runt en röd dvärgstjärna 40 ljusår bort. Björn Benneke från University of Montreal avslöjade att JWST hade utfört spaning av atmosfären i några av världarna i TRAPPIST-1.
Även om han ännu inte kunde säga något om vad JWST positivt hade upptäckt i deras atmosfärer, avslöjade han att den sjunde planeten, TRAPPIST-1g, förmodligen inte har en tjock atmosfär rik på väte. Detta skulle till synes utesluta att det är en sk 'Hycean' värld, som består av ett hav som hålls varmt av ett tjockt skikt av väte. Eftersom planet 'g' är i yttersta kanten av TRAPPIST-1:s beboeliga zon, kan det betyda att utan en tjock isolerande atmosfär kan TRAPPIST-1g vara för kall för att vara beboelig för liv som vi känner den.
Den tre dagar långa konferensen var en spännande förhandstitt på hur JWST börjar förändra astronomisk forskning och låter oss upptäcka saker som var helt bortom astronomer fram till nu. Ibland var konferenspresentationerna frustrerande lätta på detaljer – många sa att de skulle ha mer att säga nästa år, särskilt på 241:a mötet av American Astronomical Society (AAS) den 8–12 januari i Seattle.
Vi måste dock komma ihåg att JWST bara har samlat in data i knappt sex månader. Med tanke på komplexiteten hos både teleskopet och informationen som det samlar in, ser astronomerna till att vara försiktiga med sina fynd. Om de preliminära resultaten från denna första JWST-vetenskapskonferens är någon indikation, så kan de närmaste åren bli några av de mest spännande tiderna någonsin för astrofysiker, kosmologer och planetforskare.
Posten Kvasarer, exoplaneter och atmosfärer i avlägsna världar: mer om de första resultaten från JWST visades först på Fysikvärlden.
