Уэбб достиг новой вехи в поисках далеких галактик

Свету от этих галактик потребовалось более 13,4 миллиардов лет, чтобы достичь нас, поскольку они появились менее чем через 400 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 2% от ее нынешнего возраста.

Более ранние данные Уэбба предоставили кандидатов в молодые галактики. Теперь эти цели были подтверждены спектроскопическими наблюдениями, обнаружившими характерные и отличительные закономерности в отпечатках света, исходящего от невероятно слабых галактик.

«Было крайне важно доказать, что эти галактики действительно обитают в ранней Вселенной. Вполне возможно, что более близкие галактики маскируются под очень далекие галактики», — сказала астроном и соавтор Эмма Кертис-Лейк из Университета Хартфордшира в США. «Мы увидели раскрытый спектр, подтверждающий, что эти галактики находятся на истинном краю нашего поля зрения, несколько дальше, чем мог видеть Хаббл! Это чрезвычайно захватывающее достижение для миссии».

Наблюдения стали результатом сотрудничества ученых, которые руководили разработкой двух инструментов на борту Webb: камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec).

Исследование самых слабых и самых ранних галактик было основной причиной создания концепций этих инструментов. В 2015 году группы инструментов объединились, чтобы предложить JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), амбициозная программа, на которую было выделено чуть более одного месяца работы телескопа в течение двух лет, и призванная обеспечить беспрецедентное по глубине и детализации представление о ранней Вселенной.

JADES — это международное сотрудничество более восьмидесяти астрономов из десяти стран. «Эти результаты являются кульминацией того, почему команды NIRCam и NIRSpec объединились для выполнения программы наблюдений», — поделилась соавтор Марсия Рике, главный исследователь NIRCam, из Аризонского университета в Тусоне.

Первый раунд наблюдений JADES был сосредоточен на области сверхглубокого поля космического телескопа Хаббл и вокруг нее. На протяжении более 20 лет этот небольшой участок неба был целью почти всех крупных телескопов, создавая исключительно чувствительный набор данных, охватывающий весь электромагнитный спектр. Теперь Уэбб добавляет свой уникальный вклад, предоставляя четкие изображения, которые когда-либо были получены.

Программа JADES началась с NIRCam, которая использовала более 10 дней миссии для наблюдения за полем в девяти различных инфракрасных цветах и получения изображений неба. Область в 15 раз больше, чем самые глубокие инфракрасные изображения, полученные космическим телескопом Хаббла, но еще глубже и четче на этих длинах волн. На изображении почти 100 000 галактик, каждая из которых запечатлена в какой-то момент своей истории, на миллиарды лет назад.

«Впервые мы открыли галактики всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва, и можем быть абсолютно уверены в их фантастических расстояниях», — поделился соавтор Брант Робертсон из Калифорнийского университета в Санта-Круз, член исследовательской группы NIRCam. «Найти эти ранние галактики на таких потрясающе красивых изображениях — это особый опыт».

На изображениях галактики в ранней Вселенной можно отличить по красноречивому аспекту их многоволновых цветов. Длина волны света увеличивается по мере расширения Вселенной, и свет от этих самых молодых галактик растягивается в 14 раз.

Астрономы ищут слабые галактики, которые видны в инфракрасном диапазоне, но свет которых резко обрывается на критической длине волны. Положение границы в спектре каждой галактики смещается из-за расширения Вселенной. Команда JADES просмотрела изображения Уэбба в поисках этих отличительных кандидатов.

Затем они использовали инструмент NIRSpec для одного периода наблюдения, охватывающего три дня, в общей сложности 28 часов сбора данных. Команда собрала свет от 250 тусклых галактик, что позволило астрономам изучить узоры, отпечатанные в спектре атомами в каждой галактике. Это дало точное измерение красного смещения каждой галактики и выявило свойства газа и звезд в них.

«Это, безусловно, самые слабые инфракрасные спектры, когда-либо полученные», — сказал астроном и соавтор Стефано Карниани из Высшей Нормальной Школы в Пизе, Италии. «Они показывают то, что мы надеялись увидеть: точное измерение предельной длины волны света из-за рассеяния межгалактического водорода».

Четыре из изученных галактик особенно интересные, так как они находятся в беспрецедентно ранней эпохе. Результаты предоставили спектроскопическое подтверждение того, что эти четыре галактики находятся на красных смещениях выше 10, в том числе две на красном смещении 13. Это соответствует времени, когда Вселенной было примерно 330 миллионов лет, что установило новый рубеж в поисках далеких галактик. Эти галактики чрезвычайно тусклые из-за большого расстояния от нас. Астрономы теперь могут исследовать их свойства благодаря исключительной чувствительности Уэбба.

Астроном и соавтор Сандро Такчелла из Кембриджского университета в Соединенном Королевстве объяснил: «Трудно понять галактики, не понимая начальные периоды их развития. Как и в случае с людьми, многое из того, что происходит позже, зависит от воздействия ранние поколения звезд. Так много вопросов о галактиках ждали преобразующей возможности Уэбба, и мы очень рады возможности сыграть свою роль в раскрытии этой истории».

В 2023 году JADES продолжит подробное изучение другого поля, сосредоточенного на глубоком поле Хаббла, а затем вернется к сверхглубокому полю для еще одного раунда глубоких изображений и спектроскопии. Многие другие кандидаты в этой области ожидают спектроскопических исследований, и уже утверждены сотни часов дополнительного времени.