James Webb-romteleskopets spektakulære bilde av det dype infrarøde universet har avdekket 42 nye, linsebilder av galakser og avslørt i enestående dybde formen på linsen, som til slutt kan hjelpe oss å se de aller første galaksene.
Avsløringen av James Webb-romteleskopet dypfeltsbilde, av USAs president Joe Biden i en spesiell Det hvite hus-arrangement holdt 11. juli, var en nøye bevoktet hemmelighet. Team av astronomer kjempet for å være de første til å analysere det, med tre nye papirer som ble lagt ut på fellesskapets forhåndstrykkserver innen en uke etter at bildet ble utgitt.
“Vi ble litt sidesveipet, for å være ærlig!” Brenda Frye, en astronom ved Steward Observatory ved University of Arizona og medforfatter av en av avisene, fortalte Space.com. «Vanligvis har vi et år eller to forhåndsvarsel, men ingen så [this release] kommer på denne tiden.”
Galleri: James Webb Space Telescope sine første bilder
I slekt: Hvordan James Webb-romteleskopet fungerer i bilder
De galakse klyngen SMACS J0723.3-7327, kjent som SMACS J0723 for kort, er blant et sett med galaksehoper som Webb avbilder for forskjellige gravitasjonslinseundersøkelser. Utover det, sa Frye, var det ingenting eksepsjonelt med SMACS J0723 – før nå.
“Det var vakkert valgt [to be one of the first images] fordi det var et relativt ukjent mål,” sa hun.
Gravitasjonslinser er et fenomen der tyngdekraften til et veldig massivt objekt forvrider rommet til en form som er analog med en optisk linse, noe som resulterer i at lys fra det som befinner seg bak linsen blir forvrengt og forstørret i lysstyrke. Galakseklynger er spesielt effektive linser fordi de pakker en enorm mengde masse (i tilfellet med SMACS J0723, omtrent 100 billioner ganger solens masse) i et relativt kompakt volum med en diameter på rundt 3 til 5 millioner lysår på tvers. .
Tidligere undersøkelser av Hubble-romteleskopet og den pensjonerte Herschel Space Observatory hadde funnet en håndfull linsebilder av bakgrunnsgalakser i sine SMACS J0723-observasjoner. Men Webb tar jakten til et helt nytt nivå.
Fryes team, som ble ledet av doktorgradsstudent Massimo Pascale ved University of California, Berkeley, oppdaget 42 nye linsebilder i bakgrunnen av det nye dypfeltsbildet. Gravitasjonslinser kan lage flere bilder av den samme galaksen, så disse 42 bildene representerer 19 individuelle galakser. Et annet team, ledet av Gabriel Caminha fra Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, telte 27 nye linsebilder.
Uansett den endelige opptellingen, lar disse linsebildene forskere finjustere et kart over hvordan materie – både synlig og mørk — er distribuert i SMACS J0723-klyngen, og modellerer igjen formen på linsen. En av de nye papirene, fra et team ledet av Guillaume Mahler fra Durham University, konkluderte med at det meste av massen er sentrert om den lyseste, mest massive galaksen i klyngen.
“Våre modeller beskriver ikke bare massen, men vi kan også bruke dem til å beskrive forstørrelsen av disse linsebildene,” sa Pascale til Space.com.
Den nåværende fjerneste bekreftede galaksen er et fjerntliggende objekt kjent som GN-z11som har en rødforskyvning på 11,09, noe som betyr at vi ser den slik den eksisterte for 13,4 milliarder år siden, bare 400 millioner år etter Det store smellet. (“Rødforskyvning” refererer til strekkingen av lysets bølgelengde som oppstår når universet utvider seg mellom et fjernt objekt og betrakteren. Jo høyere rødforskyvningsfaktoren er, desto lengre er lyskilden.)
En enda fjernere kandidat er HD1, oppdaget ved en rødforskyvning på 13, ser for oss ut som den gjorde bare 300 millioner år etter Big Bang. Enda mer nylig, tidlige resultater fra Webb har identifisert en annen kandidatgalakse ved rødforskyvning 13, kalt GLASS-z11. Imidlertid har astronomer ennå ikke bekreftet rødforskyvningene til verken HD1 eller GLASS-z11.
Webb forventes å knuse begge disse rødforskyvningsrekordene, selv om det ennå ikke er bestemt om noen av de linsegalaksene som er sett i SMACS J0723 er fjernere enn Gn-z11 eller HD1. Pascale og Frye er interessert i å kartlegge et fenomen som kalles den “kritiske kurven”, fordi det er langs disse kurvene gravitasjonslinsen bruker den største forstørrelseskraften, og hvor astronomene har størst sjanse til å se aller første galakser.
“Typisk forstørrelse i en linsehop er omtrent en faktor på 10, og det er ikke nok til å se de første galaksene,” sa Frye. “Men hvis vi ser nær den kritiske kurven, er det der ting forstørres med hundrevis eller til og med tusenvis av ganger.”
Tenk på en kritisk kurve som å være som konturlinjer på et topografisk kart over overflaten til Jord. Jo flere slike konturlinjer er bundet sammen, jo større er høyden på et bestemt punkt på overflaten. På samme måte er en kritisk kurve der konturlinjene til gravitasjonspotensialet samler seg, og jo mer de er, jo sterkere er potensialet og den medfølgende forstørrelsen. Plasseringen og formen til de linsebildene kan gi en indikasjon på hvor den kritiske kurven ligger.
“Til syvende og sist, det vi ønsker å gjøre er å se rett langs den kritiske kurven der forstørrelsen er høyest, og det er der vi vil finne de høyeste rødforskyvningsgalaksene,” sa Frye.
Derfor konsentrerer den første trioen av nye artikler om Webbs dypfelt seg om å modellere mengden og distribusjonen av materie i forgrunnsklyngen, og følgelig formen på linsen og plasseringen av den kritiske kurven.
Modelleringen kan imidlertid også fortelle oss om galaksehopens egen historie.
“Vi fant at massefordelingen var litt mer langstrakt enn forventet,” sa Pascale. “Kanskje det sier noe om klyngens fusjonshistorieog vi kan ekstrapolere fra det og lære noe om klyngedannelse som helhet, som skjer i et veldig kaotisk miljø der gravitasjon fra alle disse galaksene trekker på hverandre.”
Det umiddelbare neste trinnet for Pascale og Fryes team, og forfatterne av de to andre papirene, er å gå gjennom fagfellevurderingsprosessen for å se disse resultatene publisert i vitenskapelige tidsskrifter. Utover det venter data fra Webbs NIRISS (Near Infrared Imager og Slitless Spectrograph) på analyse og bør hjelpe forskere med å bestemme de spektroskopiske rødforskyvningene til de linseforsynte galaksene og se hvor langt unna de er. (Dypfeltbildet ble tatt av NIRCam, det nær-infrarøde kameraet.)
“Før Webb avbildet det, var ikke SMACS J0723 stjernen i showet,” sa Pascale. “Nå er det plutselig papir etter papir på den, som virkelig forteller hvor mektig Webb er, for å avsløre ting vi ikke kunne se før.”
Fortrykket av Pascale og Fryes papir finner du her. De to andre papirene er tilgjengelige her og her.
Følg Keith Cooper på Twitter @21stCenturySETI. Følg oss på Twitter @Spacedotcom og på Facebook.