Những quan sát tiếp theo trong cụm Pandora đã xác nhận sự tồn tại của các thiên hà xa thứ hai và thứ tư từ trước đến nay, lớn hơn các thiên hà khác được tìm thấy ở khoảng cách cực xa như vậy.

Các thiên hà xa thứ hai và thứ tư từng được phát hiện nằm trong một vùng không gian được gọi là cụm Pandora, hay Abell 2744, sử dụng dữ liệu từ… NASA‘S Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Trong hình ảnh trường sâu tiếp theo của khu vực (xem hình bên dưới), một nhóm quốc tế do các nhà nghiên cứu của bang Pennsylvania dẫn đầu đã xác nhận khoảng cách của các thiên hà cổ đại này và suy ra các đặc tính của chúng bằng cách sử dụng dữ liệu quang phổ mới – thông tin về ánh sáng phát ra trên phổ điện từ – từ JWST. Cách chúng ta khoảng 33 tỷ năm ánh sáng, những thiên hà cực kỳ xa xôi này mang đến cái nhìn sâu sắc về cách các thiên hà đầu tiên hình thành.

Vẻ ngoài độc đáo và ý nghĩa

Theo các nhà nghiên cứu, không giống như các thiên hà đã được xác nhận khác ở khoảng cách này, xuất hiện trong hình ảnh dưới dạng các chấm đỏ, các thiên hà mới lớn hơn và trông giống như một hạt đậu phộng và một quả bóng bông. Một bài báo mô tả các thiên hà xuất hiện hôm nay (13/11) trên tạp chí Thư tạp chí vật lý thiên văn.

Tác giả đầu tiên Bingyi Wang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học cho biết: “Có rất ít thông tin về vũ trụ sơ khai và cách duy nhất để tìm hiểu về thời gian đó cũng như kiểm tra lý thuyết của chúng ta về sự hình thành và phát triển ban đầu của thiên hà là thông qua những thiên hà rất xa xôi này”. Pennsylvania. Trường Cao đẳng Khoa học Bang Eberly và là thành viên của Nhóm JWST UNCOVER (Quan sát NIRSpec và NIRCam siêu sâu trước kỷ nguyên tái ion hóa) người đã tiến hành nghiên cứu. “Trước khi phân tích, chúng tôi chỉ biết có ba thiên hà được xác nhận ở khoảng cách cực xa này. Nghiên cứu các thiên hà mới này và tính chất của chúng đã tiết lộ sự đa dạng của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai và có thể học được bao nhiêu từ chúng.”

Những hiểu biết sâu sắc về vũ trụ sơ khai

Bởi vì ánh sáng từ những thiên hà này phải di chuyển một thời gian dài mới đến được Trái đất nên nó cung cấp một cánh cửa nhìn về quá khứ. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng ánh sáng do Kính viễn vọng Không gian James Webb phát hiện được phát ra từ hai thiên hà khi vũ trụ khoảng 330 triệu năm tuổi và đã di chuyển khoảng 13,4 tỷ năm ánh sáng để đến được Kính viễn vọng Không gian James Webb. Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết, các thiên hà hiện cách Trái đất gần 33 tỷ năm ánh sáng hơn do sự giãn nở của vũ trụ trong thời kỳ này.

Joel Lyja, trợ lý giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại bang Pennsylvania và là thành viên của UNCOVER, cho biết: “Ánh sáng từ những thiên hà này rất cổ xưa, già hơn Trái đất khoảng ba lần”. “Những thiên hà sơ khai này giống như những ngọn hải đăng, ánh sáng bùng phát xuyên qua lớp khí hydro rất mỏng tạo nên vũ trụ sơ khai. Chỉ nhờ ánh sáng của chúng, chúng ta mới có thể bắt đầu hiểu được cơ chế vật lý kỳ lạ chi phối thiên hà gần buổi bình minh của vũ trụ.”

Điều đáng chú ý là hai thiên hà này lớn hơn nhiều so với ba thiên hà tồn tại trước đó ở những khoảng cách rất xa này. Một cái lớn hơn ít nhất sáu lần và có đường kính khoảng 2.000 năm ánh sáng. Để so sánh, dải Ngân Hà Thiên hà này có chiều ngang khoảng 100.000 năm ánh sáng, nhưng Wang tin rằng vũ trụ sơ khai rất nhỏ gọn, nên thật ngạc nhiên khi thiên hà có thể lớn đến thế.

Wang cho biết: “Các thiên hà được phát hiện trước đây ở những khoảng cách này là nguồn điểm. Chúng xuất hiện dưới dạng một dấu chấm trong ảnh của chúng tôi”. “Nhưng một trong số chúng ta trông thon dài, gần giống như hạt đậu phộng, còn cái kia trông giống như một quả bóng mỏng. Không rõ sự khác biệt về kích thước là do các ngôi sao hình thành như thế nào hay điều gì đã xảy ra với chúng sau khi chúng hình thành, nhưng sự đa dạng trong các đặc tính của các thiên hà thực sự rất thú vị Đó là những thiên hà sơ khai này được cho là được hình thành từ những vật liệu tương tự nhau, nhưng chúng đã có những dấu hiệu rất khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Hai thiên hà này nằm trong số 60.000 nguồn sáng trong cụm Pandora được phát hiện trong một trong những bức ảnh trường sâu đầu tiên do Kính viễn vọng Không gian James Webb chụp vào năm 2022, năm đầu tiên hoạt động khoa học. Vùng không gian này được chọn một phần vì nó nằm phía sau nhiều cụm thiên hà tạo ra hiệu ứng phóng đại tự nhiên gọi là thấu kính hấp dẫn. Lực hấp dẫn của khối lượng tổng hợp của các cụm làm biến dạng không gian xung quanh chúng, tập trung và khuếch đại bất kỳ ánh sáng nào đi qua gần chúng và mang lại tầm nhìn phóng đại phía sau các cụm.

Trong vòng vài tháng, nhóm UNCOVER đã thu hẹp 60.000 nguồn sáng xuống còn 700 ứng cử viên cho nghiên cứu tiếp theo, 8 trong số đó họ tin rằng có thể nằm trong số những thiên hà đầu tiên. Sau đó, Kính viễn vọng Không gian James Webb lại hướng vào cụm Pandora, ghi lại quang phổ của các ứng cử viên, một loại dấu vân tay mô tả chi tiết lượng ánh sáng phát ra ở mỗi bước sóng.

Leija cho biết: “Một số nhóm khác nhau đang sử dụng các phương pháp khác nhau để tìm kiếm những thiên hà cổ xưa này, mỗi nhóm đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng. “Việc chúng tôi hướng chiếc kính lúp khổng lồ này vào không gian mang lại cho chúng tôi một cửa sổ cực kỳ sâu, nhưng đó là một cửa sổ rất nhỏ nên chúng tôi đã tung xúc xắc. Nhiều ứng cử viên không có kết quả thuyết phục, và ít nhất một trong số họ là một trường hợp.” “Nó mô phỏng một thiên hà xa xôi. Nhưng chúng tôi đã may mắn, và hai trong số đó hóa ra là những thiên hà cổ đại này. Thật không thể tin được.”

Thuộc tính và tác dụng

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các mô hình chi tiết để suy ra đặc tính của những thiên hà sơ khai này khi chúng phát ra ánh sáng được Kính viễn vọng Không gian James Webb phát hiện. Đúng như các nhà nghiên cứu dự đoán, hai thiên hà còn trẻ, có ít kim loại trong thành phần, đang phát triển nhanh chóng và tích cực hình thành các ngôi sao.

Lyga cho biết: “Các nguyên tố đầu tiên được hình thành trong lõi của các ngôi sao sơ ​​khai thông qua quá trình hợp nhất. “Có lý do để cho rằng những thiên hà sơ khai này không có các nguyên tố nặng như kim loại vì chúng là một trong những nhà máy đầu tiên tạo ra những nguyên tố nặng đó. Tất nhiên, chúng phải còn trẻ và đang hình thành các ngôi sao để trở thành những thiên hà đầu tiên, nhưng xác nhận rằng những đặc tính này là một thử nghiệm cơ bản quan trọng đối với các mô hình của chúng tôi và giúp xác nhận mô hình hoàn chỉnh của các thiên hà. vụ nổ lớn lý thuyết.”

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng, kết hợp với thấu kính hấp dẫn, các thiết bị hồng ngoại mạnh mẽ trên Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ có thể phát hiện các thiên hà ở khoảng cách xa hơn, nếu chúng tồn tại.

Leja cho biết: “Chúng tôi có một cửa sổ rất nhỏ vào khu vực này và chúng tôi không quan sát được bất cứ thứ gì bên ngoài hai thiên hà này, mặc dù Kính viễn vọng Không gian James Webb có khả năng đó”. “Điều này có thể có nghĩa là các thiên hà chưa hình thành trước đó và chúng ta sẽ không tìm thấy bất cứ thứ gì ở xa hơn. Hoặc cũng có thể có nghĩa là chúng ta không đủ may mắn vì cửa sổ nhỏ của mình.”

Công trình này là kết quả của một đề xuất thành công được đệ trình lên NASA đề xuất cách sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb trong năm đầu tiên hoạt động khoa học. Trong ba vòng đệ trình đầu tiên, NASA đã nhận được số đề xuất nhiều hơn từ bốn đến mười lần so với thời gian quan sát có sẵn trên kính thiên văn cho phép và chỉ phải chọn một phần trong số các đề xuất đó.

Leija cho biết: “Nhóm của chúng tôi rất vui mừng và hơi ngạc nhiên khi đề xuất của chúng tôi được chấp nhận. “Nó liên quan đến sự phối hợp, hành động nhanh chóng của con người và hướng kính thiên văn vào cùng một vật thể hai lần, đây là yêu cầu rất lớn đối với kính thiên văn trong năm đầu tiên. Có rất nhiều áp lực vì chúng tôi chỉ có vài tháng để quyết định những việc gì.” để theo đuổi Nhưng nó đã được tạo ra Kính viễn vọng Không gian James Webb đang nỗ lực tìm kiếm những thiên hà đầu tiên này, và thật thú vị khi làm điều đó bây giờ.

Tham khảo: “Phát hiện: Làm sáng tỏ vũ trụ sơ khai – Xác nhận JWST/NIRSpec của thiên hà z>12” của Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Osch, Sedona H. Giá, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Xanh, Y. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker và Christina C. Williams, ngày 13 tháng 11 năm 2023, Thư tạp chí vật lý thiên văn.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Ngoài Penn State, nhóm nghiên cứu còn bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas ở Austin, Đại học Công nghệ Swinburne ở Úc, Đại học Ben Gurion của Negev ở Israel và Đại học Ben Gurion của Negev ở Israel. đại học YaleĐại học Pittsburgh, Đại học Sorbonne ở Pháp, Đại học Copenhagen ở Đan Mạch, Đại học Geneva ở Thụy Sĩ, Đại học Massachusetts, Đại học Groningen ở Hà Lan, Trường Đại học PrincetonĐại học Waseda ở Nhật Bản, Đại học Tufts và Phòng thí nghiệm Quốc gia về Nghiên cứu Thiên văn Quang học và Hồng ngoại (NOIR).

Công trình này được hỗ trợ bởi NASA, Quỹ Khoa học Sinh học Hoa Kỳ-Israel, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Bộ Khoa học và Công nghệ Israel, Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Quốc gia Pháp, Viện Khoa học Địa chất và Thiên văn Quốc gia Pháp và Cơ quan Nghiên cứu. Trung tâm. Quỹ vì sự tiến bộ của khoa học, Hội đồng nghiên cứu Hà Lan, Ủy ban châu Âu và Đại học Groningen đồng tài trợ cho Chương trình Rosalind Franklin, Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản và Phòng thí nghiệm NOIR.