7. januar 2025

Webb giver nyt, detaljeret indblik i skabelsen af de første galakser

DE FØRSTE GALAKSER:

I løbet af de seneste par år har rumteleskopet James Webb revolutioneret vores forståelse af, hvordan de første stjerner og galakser blev dannet i det tidlige Univers. Nu har et internationalt team af forskere, ledet af astronomer fra Cosmic Dawn Center i København, publiceret det første storstilede studie af mere end 600 galakser, observeret indenfor den første milliard år efter Big Bang. Undersøgelsen flytter forskningsfeltet fra at studere de første få opdagelser med Webb, til at etablere store, statistiske datasæt af galakser. Studiet afslører, hvordan nogle af de tidligste galakser opsamler enorme mængder af ren, frisk gas fra deres omgivelser, et tegn på at vi nu ser galakser i færd med at blive dannet.

Kunstnerisk opfattelse af en galakse i færd med at blive dannet ved at opsamle gas fra dens omgivelser, for mere end 13 milliarder år siden, vist oven på et galaksefelt observeret af James Webb. Kredit: J. Olmsted (STScI), ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel, og K. E. Heintz (DAWN).

Selvom “100–200 millioner år efter Big Bang” måske virker som lang tid for os mennesker, svarer det i kosmisk sammenhæng til, at Universet tager sine første babyskridt. Ikke desto mindre er det i denne epoke, at de første stjerner og galakser tænkes at være opstået.

Men før opsendelsen af rumteleskopet James Webb kendtes kun nogle få, exceptionelt lysstærke galakser selv indenfor den første milliard år.

Fra en håndfuld til hundredevis

James Webb instrumenter — James Webbs instrumenter er installeret i et stativ monteret bag dets enorme gyldne spejl. På højre side ses NIRSpec, det mest avancerede rumbårne instrument til dato, pakket ind i en flerlagsisolering. Kredit: NASA/Chris Gunn.

Med sin imponerende følsomhed har Webb nu opdaget hundredvis af galakser i denne epoke, og bringer os derved ud til nogle af de fjerneste galakser ved det kosmiske daggry.

Ved at udnytte Webbs instrument “NIRSpec”— en såkaldt spektrograf, der spreder lyset ud i alle dets infrarøde farver — kan forskere fra Cosmic Dawn Center ved Niels Bohr Institutet og DTU Space præsentere det første store, spektroskopiske studie af mere end 600 galakser, og på den måde kortlægge deres udvikling gennem den første lille brøkdel af deres nuværende alder.

“De her observationer repræsenterer et stort spring fremad, og flytter feltet fra de første opdagelser, over til at etablere store, statistiske datasæt af de allertidligste galakser,” siger Kasper Elm Heintz, adjunkt ved Cosmic Dawn Center og hovedforfatter på undersøgelsen. “Dette forøger i høj grad vores forståelse af de fysiske processer, der styrer dannelsen af de første stjerner og galakser.”

Et forenet, offentligt arkiv af Webb-observationer

Siden sine første observationer i 2022 har Webb stirret dybere ind i vores kosmiske fortid end vi nogensinde før har set. Nye, banebrydende observationer er opnået gennem adskillige store og små dedikerede observationsprogrammer, ledet af forskere over hele kloden.

I denne undersøgelse valgte forfatterne dog en anden tilgang:

I stedet for at kombinere forskelligartede resultater fra diverse, ofte inhomogene observationer af James Webb, indsamlede forskerne alle offentligt tilgængelige Webb-observationer i et nyt, stort og konsistent analyseret arkiv — DAWN JWST Archive, eller “DJA”.

“Vores mål var at konstruere et komplet, ensartet arkiv med alle Webbs observationer, for effektivt at skabe den hidtil største undersøgelse,” forklarer Gabriel Brammer, lektor ved Cosmic Dawn Center, hovedudvikler af DJA og medforfatter af artiklen. “Og hvad der er vigtigere; alle de analyserede data frigives med det samme til hele det astronomiske samfund og den brede offentlighed, sådan at det kan befordre videnskabelige fremskridt. Denne undersøgelse vil kun vokse, efterhånden som vi får flere data fra Webb.”

James Webbs infrarøde spektroskopiske evner er altafgørende for at studere de første galakser. Da lys fra de fjerneste kilder bliver mere og mere “strukket”, eller rødforskudt, på dets rejse gennem Universet, vil ultraviolet og synligt lys fra de fjerneste galakser blive forskudt helt ud i det infrarøde, når de når ned til os på Jorden. Webbs evne til at opløse dette lys’ spektre muliggør detaljerede undersøgelser af de første galakser kemiske sammensætning og fysiske processer.

Dette mærkeligt udseende billede viser, med hver vandret linje, omkring 850 galaksespektre observeret med Webbs NIRSpec og stablet over hinanden på en sådan måde, at jo længere op du kigger, jo længere væk er galaksen, og dermed jo længere tilbage i tiden ses den. Det vil sige, at linjerne i bunden er galakser tæt på os, mens den øverste linje viser et spektrum af en galakse set kun 370 millioner år efter Big Bang.
Bølgelængden af det observerede lys ses langs x-aksen, målt i mikrometer, men hvert spektrum er blevet forskudt vandret til dets “hvilebølgelængde”, altså hvordan det ville se ud, hvis det ikke er blevet rødforskudt.
De to lyse, lodrette “baner” ved 0,50 og 0,65 mikrometer viser lys udsendt fra henholdsvis ilt og brint, mens de mørke “spring” ved 0,36 og 0,12 mikrometer afslører, hvordan en del af det kortbølgede lys absorberes af brint i og omkring galakserne. Ved at zoome ind på denne absorption kan forskerne måle, hvor meget gas der strømmer ned mod galakserne. Kredit: Gabriel Brammer/DJA med annotationer af Peter Laursen

Galaksedannelse i aktion

Ved at analysere de 600 galaksers spektroskopiske data var forfatterne i stand til at kortlægge dannelsen af stjerner, kosmisk støv og tunge grundstoffer i den første generation af galakser gennem den første milliard års kosmisk tid.

Undersøgelsens måske vigtigste opdagelse var dog påvisningen af massive mængder af “ur-gas”, der omgiver de fleste af de tidlige galakser. Det vil sige gas, der endnu ikke har deltaget i stjernedannelse og derfor indeholder den oprindelige gas fra Big Bang, uden nogle grundstoffer tungere end brint og helium.

“Mere end halvdelen af de galakser, vi analyserede, viste evidens for væsentlig mængder af oprindeligt stof i deres umiddelbare omgivelser. Dette er mange flere end forventet og ulig noget, vi har set i mere nærliggende galakser,” kommenterer Darach Watson, professor ved Cosmic Dawn Center og medforfatter på papiret. “Det tyder på, at vi er vidne til dannelsen af de første galakser, og overgår hvad vi tidligere troede muligt, selv med Webb.”

Observationerne forbinder Universets ur-stof til dannelse af stjerner i galakser og skaber et nyt vindue til at studere tidlig galakseopbygning, hvorved det udvider mulighederne for at gøre nye, uventede opdagelser.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Studiet blev udført af et stort internationalt hold af forskere, og er netop blevet udgivet i det videnskabelig tidsskrift Astronomy & Astrophysics.