Ein Team kanadischer Astronomen, darunter Experten des Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics an der Faculty of Arts & Science der University of Toronto, hat das James Webb Telescope (JWST) verwendet, um die am weitesten entfernten Kugelsternhaufen zu identifizieren, die jemals entdeckt wurden – dichte Gruppen von Millionen von Sternen, die Relikte sein können, die die ersten und ältesten Sterne im Universum enthalten.
Die frühe Analyse von Webbs First Deep Field-Bild, das einige der frühesten Galaxien des Universums zeigt, war veröffentlicht 29. Sept Die Briefe des astrophysikalischen Journals.
„JWST wurde gebaut, um die ersten Sterne und die ersten Galaxien zu finden und uns dabei zu helfen, die Ursprünge der Komplexität im Universum zu verstehen, wie etwa die chemischen Elemente und die Bausteine des Lebens“, sagt Lamiya Mowla, Postdoktorandin am Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics und Co-Hauptautor der Studie, die vom kanadischen NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS) Team durchgeführt wurde.
„Diese Entdeckung in Webbs First Deep Field bietet bereits einen detaillierten Einblick in die früheste Phase der Sternentstehung und bestätigt die unglaubliche Kraft von JWST.“
In dem fein detaillierten Bild von Webbs erstem Deep Field konzentrierten sich die Forscher auf das, was sie „die Sparkler-Galaxie“ nannten, die neun Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Diese Galaxie erhielt ihren Namen von den kompakten Objekten, die als kleine gelb-rote Punkte um sie herum erscheinen und von den Forschern als „Funken“ bezeichnet werden. Das Team postulierte, dass diese Funken entweder junge Sternhaufen sein könnten, die aktiv Sterne bilden – die drei Milliarden Jahre nach dem Urknall auf dem Höhepunkt der Sternentstehung geboren wurden – oder alte Kugelsternhaufen. Kugelsternhaufen sind uralte Ansammlungen von Sternen aus der Anfangszeit einer Galaxie und enthalten Hinweise auf ihre frühesten Entstehungs- und Wachstumsphasen.
Aus ihrer anfänglichen Analyse von 12 dieser kompakten Objekte stellten die Forscher fest, dass fünf von ihnen nicht nur Kugelhaufen sind, sondern zu den ältesten bekannten gehören.
„Die ersten Bilder von JWST zu betrachten und alte Kugelsternhaufen um ferne Galaxien zu entdecken, war ein unglaublicher Moment – einer, der mit früheren Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops nicht möglich war“, sagt Kartheik G. Iyer, Postdoktorand am Dunlap Institute für Astronomie & Astrophysik und Co-Erstautor der Studie.
„Da wir die Funkeln über einen Bereich von Wellenlängen beobachten konnten, konnten wir sie modellieren und ihre physikalischen Eigenschaften besser verstehen – wie alt sie sind und wie viele Sterne sie enthalten. Wir hoffen, dass das Wissen, dass Kugelsternhaufen von so groß aus beobachtet werden können Entfernungen mit JWST werden die weitere Wissenschaft und Suche nach ähnlichen Objekten anspornen.“
Es ist bekannt, dass die Milchstraße etwa 150 Kugelsternhaufen hat, aber wie und wann genau diese dichten Sternhaufen entstanden sind, ist nicht gut verstanden. Astronomen wissen, dass Kugelsternhaufen extrem alt sein können, aber es ist unglaublich schwierig, ihr Alter zu messen. Die Verwendung sehr entfernter Kugelsternhaufen zur Altersbestimmung der ersten Sterne in fernen Galaxien wurde noch nie zuvor durchgeführt und ist nur mit JWST möglich.
„Diese neu identifizierten Haufen entstanden kurz vor dem ersten Mal, als es überhaupt möglich war, Sterne zu bilden“, sagt Mowla. „Da die Sparkler-Galaxie viel weiter entfernt ist als unsere eigene Milchstraße, ist es einfacher, das Alter ihrer Kugelsternhaufen zu bestimmen. Wir beobachten die Sparkler-Galaxie vor neun Milliarden Jahren, als das Universum nur viereinhalb Jahre alt war – eine halbe Milliarde Jahre alt, wenn Sie sich etwas ansehen, das vor langer Zeit passiert ist. Stellen Sie sich vor, Sie schätzen das Alter einer Person anhand ihres Aussehens – es ist leicht, den Unterschied zwischen einem Fünf- und einem Zehnjährigen zu erkennen, aber schwer zu sagen der Unterschied zwischen einem 50- und 55-Jährigen.“
Bisher konnten Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop die umliegenden kompakten Objekte der Sparkler-Galaxie nicht sehen. Dies änderte sich mit der erhöhten Auflösung und Empfindlichkeit von JWST, wodurch die winzigen Punkte, die die Galaxie umgeben, zum ersten Mal in Webbs First Deep Field-Bild enthüllt wurden. Die Sparkler-Galaxie ist etwas Besonderes, weil sie aufgrund eines Effekts namens Gravitationslinseneffekt um den Faktor 100 vergrößert wird – bei dem der Galaxienhaufen SMACS 0723 im Vordergrund das, was sich dahinter befindet, verzerrt, ähnlich wie ein riesiges Vergrößerungsglas. Darüber hinaus erzeugt die Gravitationslinse drei separate Bilder der Sparkler, wodurch Astronomen die Galaxie detaillierter untersuchen können.
„Unsere Studie der Sparkler unterstreicht die enorme Kraft der Kombination der einzigartigen Fähigkeiten von JWST mit der natürlichen Vergrößerung durch Gravitationslinsen“, sagt Chris Willott, Leiter des CANUCS-Teams, vom Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center des National Research Council. „Das Team ist gespannt auf weitere Entdeckungen, die kommen werden, wenn das JWST seinen Blick nächsten Monat auf die CANUCS-Galaxienhaufen richtet.“
Die Forscher kombinierten neue Daten von JWSTs Nahinfrarotkamera (NIRCam) mit Archivdaten des Hubble Scape Telescope. NIRCam erkennt schwache Objekte mit längeren und röteren Wellenlängen, um über das hinaus zu beobachten, was für das menschliche Auge und sogar das Hubble-Weltraumteleskop sichtbar ist. Beide Vergrößerungen aufgrund der Linsen des Galaxienhaufens und die hohe Auflösung von JWST haben die Beobachtung kompakter Objekte ermöglicht.
Das in Kanada hergestellte Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS)-Instrument auf dem JWST lieferte eine unabhängige Bestätigung, dass es sich bei den Objekten um alte Kugelsternhaufen handelt, da die Forscher keine Sauerstoffemissionslinien beobachteten – Emissionen mit messbaren Spektren, die von jungen aktiven Haufen abgegeben werden Sterne bilden. NIRISS half auch dabei, die Geometrie der dreifach verglasten Bilder der Sparkler zu enträtseln.
„Das in Kanada hergestellte NIRISS-Instrument von JWST war entscheidend, um uns zu helfen zu verstehen, wie die drei Bilder der Sparkler und ihrer Kugelsternhaufen zusammenhängen“, sagt Marcin Sawicki, Professor an der Saint. Mary’s University, die den kanadischen Forschungslehrstuhl für Astronomie innehat und Mitautor der Studie ist. „Die dreimalige Aufnahme mehrerer Kugelsternhaufen von Sparkler machte deutlich, dass sie die Sparkler-Galaxie umkreisen und nicht nur zufällig davor stehen.“
JWST wird die CANUCS-Felder ab Oktober 2022 beobachten und seine Daten nutzen, um fünf massive Galaxienhaufen zu untersuchen, um die herum die Forscher weitere solcher Systeme erwarten. Zukünftige Studien werden auch den Galaxienhaufen modellieren, um den Linseneffekt zu verstehen und robustere Analysen durchzuführen, um die Sternentstehungsgeschichten zu erklären.
Zu den kooperierenden Institutionen gehören die York University und Institutionen in den Vereinigten Staaten und Europa.
Mehr Informationen:
The Sparkler: Entwickelte Kandidaten für Kugelsternhaufen mit hoher Rotverschiebung, erfasst von JWST, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac90ca