Teleskop Webba dowodzi, że galaktyki zmieniły wczesny Wszechświat

We wczesnym Wszechświecie gaz i galaktyki międzygwiezdne były nieprzezroczyste — energetyczne światło gwiazd nie mogło przez nie przeniknąć. Ale miliard lat po Wielkim Wybuchu gaz stał się całkowicie przezroczysty. Dlaczego? Nowe dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wskazują przyczynę: gwiazdy galaktyk wyemitowały wystarczająco dużo światła, aby ogrzać i zjonizować gaz wokół nich, oczyszczając nasz zbiorowy pogląd na setki milionów lat.

Odkrycia dokonane przez zespół badawczy kierowany przez Simona Lilly’ego z ETH Zürich w Szwajcarii to najnowsze spostrzeżenia dotyczące okresu znanego jako era rejonizacji, kiedy to wszechświat przeszedł dramatyczne zmiany. Po Wielkim Wybuchu gaz we wszechświecie był bardzo gorący i gęsty. Przez setki milionów lat gaz ochładzał się. Wtedy wszechświat uderzył w „Powtórz”. Gaz stał się ponownie gorący i zjonizowany – prawdopodobnie z powodu wczesnego formowania się gwiazd w galaktykach i stał się przezroczysty przez miliony lat.

Naukowcy od dawna szukali twardych dowodów na wyjaśnienie tych zmian. Nowe odkrycia skutecznie odsuwają kurtynę pod koniec tego okresu rejonizacji. „Webb nie tylko wyraźnie pokazał, że te przezroczyste obszary istnieją wokół galaktyk, ale także zmierzyliśmy ich rozmiar” – wyjaśnił Daichi Kashino z Uniwersytetu Nagoya w Japonii, główny autor pierwszego artykułu zespołu. „Korzystając z danych Webba, widzimy galaktyki rejonizujące otaczający je gaz”.

Te obszary przezroczystego gazu są gigantyczne w porównaniu do galaktyk – wyobraź sobie balon na ogrzane powietrze z zawieszonym w środku grochem. Dane Webba pokazują, że te stosunkowo małe galaktyki wywołały rejonizację, oczyszczając ogromne obszary przestrzeni wokół siebie. Przez następne 100 milionów lat te przezroczyste „bąbelki” stawały się coraz większe, ostatecznie łącząc się i powodując, że cały wszechświat stał się przezroczysty.

Zespół Lilly celowo celował w czas przed końcem ery rejonizacji, kiedy Wszechświat nie był ani całkowicie czysty, ani całkowicie nieprzejrzysty – zawierał mieszaninę gazów w różnych stanach. Naukowcy skierowali Webba w kierunku kwazara – niezwykle jasnej supermasywnej czarnej dziury, która działa jak ogromny reflektor – podkreślając gaz między kwazarem a naszymi teleskopami. (Możesz go znaleźć w centrum tego widoku: jest mały i różowy z sześcioma wyraźnymi kolcami dyfrakcyjnymi.)

Gdy światło kwazara wędrowało w naszym kierunku przez różne obszary gazu, było albo absorbowane przez nieprzezroczysty gaz, albo swobodnie poruszało się przez przezroczysty gaz. Przełomowe wyniki zespołu były możliwe tylko dzięki połączeniu danych Webba z obserwacjami centralnego kwazara z Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach, Bardzo Dużego Teleskopu Europejskiego Obserwatorium Południowego i Teleskopu Magellana w Obserwatorium Las Campanas, oba w Chile.

„Oświetlając gaz wzdłuż naszej linii wzroku, kwazar dostarcza nam wyczerpujących informacji na temat składu i stanu gazu” – wyjaśniła Anna-Christina Ehlers z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, Massachusetts, główna autorka innego artykułu.

Następnie naukowcy wykorzystali Webba do zidentyfikowania galaktyk znajdujących się blisko tej linii wzroku i wykazali, że galaktyki są na ogół otoczone przezroczystymi obszarami o promieniu około dwóch milionów lat świetlnych. Innymi słowy, Webb był świadkiem procesu ewakuacji galaktyk z otaczającej je przestrzeni pod koniec ery rejonizacji. Aby spojrzeć na to z perspektywy, obszar opuszczony przez te galaktyki znajduje się mniej więcej w tej samej odległości między naszą własną Drogą Mleczną a naszym najbliższym sąsiadem, Andromedą.

Do tej pory naukowcy nie mieli ostatecznego dowodu na to, co powoduje rejonizację – przed Webbem nie byli pewni, co jest za to odpowiedzialne.

Jak wyglądają te galaktyki? „Są znacznie bardziej chaotyczne niż te w bliskim wszechświecie” – wyjaśnił Jurit Mattei z ETH Zürich i główny autor drugiego artykułu zespołu. „Webb pokazuje, że aktywnie tworzyły gwiazdy i musiały wywołać wiele supernowych. Mieli dość żądnego przygód młodego człowieka!”

Po drodze Elers wykorzystał dane Webba, aby potwierdzić, że czarna dziura kwazara w centrum tego pola jest najbardziej masywną znaną obecnie we wczesnym Wszechświecie, ważącą 10 miliardów mas Słońca. „Nadal nie potrafimy wyjaśnić, w jaki sposób kwazary mogły urosnąć do tak masywnych rozmiarów na tak wczesnym etapie historii wszechświata” – powiedziała. „To kolejna zagadka do rozwiązania!” Niezwykłe zdjęcia wykonane przez Webba nie ujawniły również żadnych dowodów na to, że światło z kwazara było soczewkowane grawitacyjnie, zapewniając, że pomiary masy są ostateczne.

Zespół wkrótce zagłębi się w poszukiwaniach galaktyki w pięciu dodatkowych sferach, z których każda jest zakotwiczona przez centralny kwazar. Wyniki Webba z pierwszego pola były tak jasne, że nie mogli się doczekać, aby je udostępnić. „Spodziewaliśmy się zidentyfikować kilkadziesiąt galaktyk, które były obecne w erze rejonizacji – ale z łatwością udało nam się zidentyfikować 117” – wyjaśnił Kashino. „Webb przekroczył nasze oczekiwania”.

Zespół badawczy Lilly, Emission Line Galaxies and Intergalactic Gas in the Era of Reionization (EIGER), zademonstrował wyjątkową moc łączenia konwencjonalnych obrazów Webba nirkam (Near Infrared Camera) z danymi z trybu spektroskopii szerokokątnej samego urządzenia, co daje widmo każdego obiektu na obrazach – zmieniając Webba w coś, co zespół nazywa „niesamowitą maszyną do przesunięcia widmowego ku czerwieni”.

Uwzględnij posty pierwszego zespołu Eiger I. Duży okaz [O iii]- Uruchomienie Galactic Speed ​​5.3 prowadzone przez Kashino, „EIGER II. Pierwsza charakterystyka spektroskopowa młodych gwiazd i silnie zjonizowanego gazu związanego z Hβ f [OIII] Emisja liniowa w galaktykach przy z=5–7 ​​​​z JWST,” Prowadzony przez Matty’ego W „EIGER III. Obserwacje JWST/NIRCam bardzo jasnego kwazara J0100+2802”, Prowadzony przez Eilersa i do opublikowania w Dziennik astrofizyczny 12 czerwca.