Webb bada ekstremalną galaktykę gwiazdową

Zespół astronomów wykorzystał należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zbadania galaktyki Messier 82 (M82). Znajdująca się w odległości 12 milionów lat świetlnych w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy (Ursa Major) galaktyka jest stosunkowo niewielkich rozmiarów, ale jest gospodarzem szału formowania się gwiazd. Dla porównania, M82 rodzi nowe gwiazdy 10 razy szybciej niż galaktyka Drogi Mlecznej.

Kierowany przez Alberto Bolatto z University of Maryland, College Park, zespół skierował instrument Webb’s NIRCam (Near-Infrared Camera) w kierunku centrum galaktyki starburst, uzyskując bliższe spojrzenie na warunki fizyczne, które sprzyjają powstawaniu nowych gwiazd.

M82 była przedmiotem wielu obserwacji na przestrzeni lat, ponieważ można ją uznać za prototypową galaktykę gwiezdną. Zarówno teleskopy kosmiczne NASA Spitzer, jak i Hubble obserwowały ten cel. Dzięki rozmiarowi i rozdzielczości Webba możemy spojrzeć na tę galaktykę gwiazdotwórczą i zobaczyć wszystkie te piękne, nowe szczegóły.powiedział Bolatto, główny autor badania.

Tętniąca życiem społeczność gwiazd
Formowanie się gwiazd nadal pozostaje tajemnicą, ponieważ jest spowite zasłonami pyłu i gazu, tworząc przeszkodę w obserwacji tego procesu. Na szczęście zdolność Webba do patrzenia w podczerwieni jest atutem w poruszaniu się w tych mętnych warunkach. Dodatkowo, te zdjęcia NIRCam samego centrum wybuchu gwiazdy zostały uzyskane przy użyciu trybu instrumentu, który zapobiegał przytłoczeniu detektora przez bardzo jasne źródło.

Podczas gdy ciemnobrązowe wąsy ciężkiego pyłu są wplecione w świecące białe jądro M82 nawet w tym widoku w podczerwieni, NIRCam Webba ujawnił poziom szczegółowości, który historycznie był zasłonięty. Patrząc bliżej środka, małe plamki przedstawione na zielono oznaczają skoncentrowane obszary żelaza, z których większość to pozostałości po supernowych. Małe plamki, które wydają się czerwone, oznaczają regiony, w których wodór molekularny jest oświetlany przez promieniowanie pobliskiej młodej gwiazdy.

Ten obraz pokazuje moc Webba. Każda biała kropka na tym obrazie to gwiazda lub gromada gwiazd. Możemy zacząć rozróżniać wszystkie te małe źródła punktowe, co pozwala nam uzyskać dokładną liczbę wszystkich gromad gwiazd w tej galaktyce.powiedziała Rebecca Levy, druga autorka badania z University of Arizona w Tucson.

Odnajdywanie struktury w żywych warunkach
Patrząc na M82 w nieco dłuższych długościach fal podczerwonych, można dostrzec zbite wąsy przedstawione w kolorze czerwonym, rozciągające się powyżej i poniżej płaszczyzny galaktyki. Te gazowe serpentyny to galaktyczny wiatr wypływający z jądra gwiezdnego wybuchu.

Jednym z obszarów zainteresowania tego zespołu badawczego było zrozumienie, w jaki sposób ten galaktyczny wiatr, który jest spowodowany szybkim tempem formowania się gwiazd i późniejszych supernowych, jest uruchamiany i wpływa na otaczające go środowisko. Analizując centralną część M82, naukowcy mogli zbadać, skąd bierze się wiatr i uzyskać wgląd w to, jak gorące i zimne składniki oddziałują ze sobą w jego obrębie.

Instrument NIRCam Webba był dobrze przystosowany do śledzenia struktury wiatru galaktycznego poprzez emisję cząsteczek sadzy znanych jako wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). WWA można uznać za bardzo małe ziarna pyłu, które przeżywają w niższych temperaturach, ale ulegają zniszczeniu w gorących warunkach.

Ku zaskoczeniu zespołu, widok emisji WWA z Webba podkreśla drobną strukturę wiatru galaktycznego – aspekt wcześniej nieznany. Przedstawiona jako czerwone włókna, emisja rozciąga się od centralnego regionu, w którym znajduje się serce formowania się gwiazd. Innym nieoczekiwanym odkryciem była podobna struktura między emisją PAH a emisją gorącego, zjonizowanego gazu.

To było nieoczekiwane, że emisja WWA przypomina zjonizowany gaz. WWA nie powinny żyć zbyt długo pod wpływem tak silnego pola promieniowania, więc być może są one cały czas uzupełniane. To podważa nasze teorie i pokazuje nam, że konieczne są dalsze badania.powiedział Bolatto.

Oświetlenie drogi naprzód
Prowadzone przez Webba obserwacje M82 w bliskiej podczerwieni nasuwają dalsze pytania dotyczące formowania się gwiazd, na niektóre z których zespół ma nadzieję odpowiedzieć dzięki dodatkowym danym zebranym przez Webba, w tym danym dotyczącym innej galaktyki typu starburst. Dwa inne artykuły tego zespołu charakteryzujące gromady gwiazd i korelacje między składnikami wiatru w M82 są prawie ukończone.

W niedalekiej przyszłości zespół będzie miał gotowe do analizy obserwacje spektroskopowe M82 z Webba, a także uzupełniające obrazy galaktyki i wiatru w dużej skali. Dane spektralne pomogą astronomom określić dokładny wiek gromad gwiazd i pozwolą określić czas trwania każdej fazy formowania się gwiazd w środowisku galaktyk typu starburst. W szerszej skali, badanie aktywności galaktyk takich jak M82 może pogłębić zrozumienie przez astronomów wczesnego Wszechświata.

Obserwacja przez Webba M82, celu znajdującego się bliżej nas, przypomina, że teleskop doskonale radzi sobie z badaniem galaktyk na wszystkich odległościach. Oprócz przyglądania się młodym galaktykom z dużym przesunięciem ku czerwieni, możemy spojrzeć na cele znajdujące się bliżej domu, aby uzyskać wgląd w procesy, które zachodzą tutaj – wydarzenia, które miały również miejsce we wczesnym wszechświecie.powiedział Bolatto.

Teleskopy Webb i Hubble potwierdzają tempo ekspansji Wszechświata, a zagadka pozostaje niezmieniona

Kiedy próbujesz rozwiązać jedną z największych zagadek kosmologii, powinieneś trzykrotnie sprawdzić swoją pracę domową. Zagadka zwana „napięciem Hubble’a” polega na tym, że obecne tempo rozszerzania się Wszechświata jest szybsze, niż spodziewają się tego astronomowie na podstawie warunków początkowych Wszechświata i naszego obecnego zrozumienia ewolucji Wszechświata. Naukowcy korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i wielu innych teleskopów konsekwentnie znajdują liczbę, która nie odpowiada przewidywaniom opartym na obserwacjach z misji Planck należącej do ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) . Czy rozwiązanie tej rozbieżności wymaga nowej fizyki? A może jest to wynik błędów pomiarowych pomiędzy dwiema różnymi metodami używanymi do określenia tempa rozszerzania się przestrzeni?

Hubble mierzy obecne tempo rozszerzania się Wszechświata od 30 lat , a astronomowie chcą wyeliminować wszelkie utrzymujące się wątpliwości co do jego dokładności. Teraz Hubble i należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba połączyli siły, aby uzyskać ostateczne pomiary, co potwierdza tezę, że coś innego – a nie błędy pomiaru – wpływa na tempo ekspansji.

Po zanegowaniu błędów pomiarowych pozostaje realna i ekscytująca możliwość, że źle zrozumieliśmy wszechświat.powiedział Adam Riess, fizyk z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore.

Riess jest laureatem Nagrody Nobla za współodkrycie faktu, że ekspansja Wszechświata przyspiesza z powodu tajemniczego zjawiska zwanego obecnie „ciemną energią”.

Dla porównania, wstępna obserwacja Webba przeprowadzona w 2023 roku potwierdziła, że ​​pomiary Hubble’a dotyczące rozszerzającego się Wszechświata były dokładne. Jednakże, mając nadzieję na złagodzenie napięcia Hubble’a, niektórzy naukowcy spekulowali, że niewidoczne błędy w pomiarach mogą wzrosnąć i stać się widoczne, gdy spojrzymy głębiej w wszechświat. W szczególności stłoczenie gwiazd może w systematyczny sposób wpływać na pomiary jasności bardziej odległych gwiazd.

Zespół SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), kierowany przez Riessa, uzyskał za pomocą Webba dodatkowe obserwacje obiektów będących krytycznymi kosmicznymi znacznikami milowymi, znanych jako cefeidy zmienne , które można teraz skorelować z danymi z Hubble’a.

Objęliśmy teraz cały zakres obserwacji Hubble’a i możemy z dużą pewnością wykluczyć błąd pomiaru jako przyczynę napięcia Hubble’a.powiedział Riess.

Kilka pierwszych obserwacji Webba przeprowadzonych przez zespół w 2023 r. z sukcesem pokazało, że Hubble był na dobrej drodze, mocno ustanawiając wierność pierwszych szczebli tak zwanej kosmicznej drabiny odległości .

Astronomowie używają różnych metod pomiaru względnych odległości we wszechświecie, w zależności od obserwowanego obiektu. Łącznie techniki te nazywane są kosmiczną drabiną odległości – każdy szczebel lub technika pomiarowa opiera się na poprzednim etapie kalibracji.

Niektórzy astronomowie sugerowali jednak, że w miarę przesuwania się na zewnątrz „drugiego szczebla” kosmiczna drabina odległości może się chwiać, jeśli pomiary cefeid staną się mniej dokładne wraz ze wzrostem odległości. Takie niedokładności mogą wystąpić, ponieważ światło cefeidy może zlewać się ze światłem sąsiedniej gwiazdy – efekt ten może stać się bardziej wyraźny wraz z odległością, w miarę jak gwiazdy gromadzą się i stają się trudniejsze do odróżnienia od siebie.

Wyzwanie obserwacyjne polega na tym, że wcześniejsze zdjęcia z Hubble’a tych bardziej odległych cefeid wydają się bardziej skupione i nakładają się na sąsiednie gwiazdy w coraz większych odległościach między nami a ich galaktykami macierzystymi, co wymaga dokładnego uwzględnienia tego efektu. Wtrącający się pył dodatkowo komplikuje pewność pomiarów w świetle widzialnym. Webb przecina pył i w naturalny sposób izoluje cefeidy od sąsiednich gwiazd, ponieważ jego widzenie jest ostrzejsze niż Hubble’a w zakresie fal podczerwonych.

Połączenie Webba i Hubble’a daje nam to, co najlepsze z obu światów. Odkryliśmy, że pomiary Hubble’a pozostają wiarygodne w miarę wspinania się dalej po kosmicznej drabinie odległości.powiedział Riess.

Nowe obserwacje Webba obejmują pięć galaktyk macierzystych z ośmioma supernowymi typu Ia zawierającymi łącznie 1000 cefeid i sięgają do najdalszej galaktyki, w której dobrze zmierzono cefeidy – NGC 5468 – w odległości 130 milionów lat świetlnych.

To obejmuje pełny zakres, w którym dokonaliśmy pomiarów za pomocą Hubble’a. Zatem dotarliśmy do końca drugiego szczebla kosmicznej drabiny odległości.powiedział współautor Gagandeep Anand z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego w Baltimore, który obsługuje teleskopy Webba i Hubble'a dla NASA.

Dalsze potwierdzenie przez Hubble’a i Webba napięcia Hubble’a powoduje powołanie innych obserwatoriów, które prawdopodobnie rozwiążą zagadkę. Nadchodzący rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace należący do NASA będzie wykonywał szerokie badania nieba, aby zbadać wpływ ciemnej energii, tajemniczej energii, która powoduje przyspieszenie ekspansji Wszechświata. Obserwatorium Euclid należące do ESA , przy wsparciu NASA, realizuje podobne zadanie.

Obecnie wygląda na to, że drabina odległości obserwowana przez Hubble’a i Webba mocno zakotwiczyła punkt na jednym brzegu rzeki, a poświata Wielkiego Wybuchu obserwowana za pomocą pomiarów Plancka od początku Wszechświata była mocno osadzona po drugiej stronie . Nie udało się jeszcze bezpośrednio zaobserwować, jak zmieniała się ekspansja Wszechświata w ciągu miliardów lat pomiędzy tymi dwoma punktami końcowymi.

Musimy dowiedzieć się, czy nie brakuje nam czegoś, co łączy początek wszechświata z teraźniejszością.powiedział Riess.

Webb odkrywa tajemnice jednej z najbardziej odległych galaktyk, jakie kiedykolwiek widziano

Patrząc głęboko w przestrzeń i czas, dwa zespoły korzystające z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba badały wyjątkowo jasną galaktykę GN-z11, która istniała, gdy nasz Wszechświat liczący 13,8 miliarda lat miał zaledwie około 430 milionów lat. Galaktyka ta , odkryta początkowo za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, należąca do NASA, jest tak jasna, że ​​naukowcom trudno jest zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Teraz GN-z11 zdradza część swoich tajemnic.

Silna czarna dziura jest najbardziej odległą, jaką kiedykolwiek znaleziono
Zespół badający GN-z11 wraz z Webbem znalazł pierwszy wyraźny dowód na to, że w galaktyce znajduje się centralna, supermasywna czarna dziura, która szybko akreuje materię. Ich odkrycie czyni ją najdalszą aktywną supermasywną czarną dziurą odkrytą do tej pory.

Odkryliśmy niezwykle gęsty gaz, który jest powszechny w pobliżu supermasywnych czarnych dziur akreujących gaz. To były pierwsze wyraźne oznaki wskazujące, że GN-z11 zawiera czarną dziurę pożerającą materię.wyjaśnia główny badacz Roberto Maiolino z Cavendish Laboratory i Instytutu Kosmologii Kavli na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii.

Korzystając z Webba, zespół odkrył także oznaki zjonizowanych pierwiastków chemicznych zwykle obserwowanych w pobliżu akreujących supermasywnych czarnych dziur. Dodatkowo odkryli bardzo silny wiatr wypędzany przez galaktykę. Takie wiatry o dużej prędkości są zwykle napędzane procesami związanymi z energicznie akreującymi supermasywnymi czarnymi dziurami.

Kamera NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) Webba ujawniła rozszerzony komponent śledzący galaktykę macierzystą oraz centralne, zwarte źródło, którego kolory są zgodne z kolorami dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę.powiedziała badaczka Hannah Übler, również z Laboratorium Cavendisha i Instytut Kavli.

Łącznie dowody te pokazują, że w GN-z11 znajduje się supermasywna czarna dziura o masie 2 milionów mas Słońca, znajdująca się w bardzo aktywnej fazie pochłaniania materii i dlatego jest tak jasna.

Nieskazitelna bryła gazu w Halo GN-z11 intryguje badaczy
Drugi zespół, również kierowany przez Maiolino, wykorzystał spektrograf NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) Webba do znalezienia gazowej bryły helu w halo otaczającym GN-z11.

Fakt, że nie widzimy niczego poza helem, sugeruje, że ta grudka musi być w miarę nieskazitelna. Jest to coś, czego teoria i symulacje oczekiwały w pobliżu szczególnie masywnych galaktyk z tych epok – że w halo powinny znajdować się kieszenie nieskazitelnego gazu, które mogą się zapaść i utworzyć gromady gwiazd III populacji.powiedział Maiolino.

Znalezienie nigdy wcześniej nie widzianych gwiazd III populacji – pierwszej generacji gwiazd zbudowanych niemal wyłącznie z wodoru i helu – jest jednym z najważniejszych celów współczesnej astrofizyki. Oczekuje się, że gwiazdy te będą bardzo masywne, bardzo jasne i bardzo gorące. Ich oczekiwaną cechą charakterystyczną jest obecność zjonizowanego helu i brak pierwiastków chemicznych cięższych od helu.

Powstawanie pierwszych gwiazd i galaktyk oznacza fundamentalną zmianę w historii kosmosu, podczas której Wszechświat ewoluował z ciemnego i stosunkowo prostego stanu do wysoce zorganizowanego i złożonego środowiska, które widzimy dzisiaj. W przyszłych obserwacjach Webba Maiolino, Übler i ich zespół będą głębiej badać GN-z11 i mają nadzieję wzmocnić dowody na istnienie gwiazd III Populacji, które mogą tworzyć się w jej halo.

Badania dziewiczej grudki gazu w halo GN-z11 zostały zaakceptowane do publikacji przez wydawnictwo Astronomy & Astrophysics . Wyniki badań czarnej dziury GN-z11 opublikowano w czasopiśmie Nature 17 stycznia 2024 roku. Dane uzyskano w ramach JWST Advanced Deep Extragalactic Survey ( JADES ), wspólnego projektu zespołów NIRCam i NIRSpec.

info: webtelescope.org

Teleskop Hubble’a śledzi gromady gwiazd „Sznur Pereł” w zderzeniach galaktyk

Wbrew temu, co mogłoby się wydawać, zderzenia galaktyk nie niszczą gwiazd. W rzeczywistości nierówna dynamika powoduje powstawanie nowych generacji gwiazd i prawdopodobnie towarzyszących im planet.

Teraz należący do NASA Kosmiczny Teleskop Hubble’a namierzył 12 oddziałujących ze sobą galaktyk, które mają długie, przypominające kijanki ogony pływowe gazu, pyłu i mnóstwa gwiazd. Wyjątkowa ostrość i wrażliwość Hubble’a na światło ultrafioletowe pozwoliły odkryć 425 gromad nowonarodzonych gwiazd wzdłuż tych ogonów, wyglądających jak sznury świątecznych światełek. Każda gromada zawiera aż 1 milion niebieskich, nowonarodzonych gwiazd.

Gromady w ogonach pływowych są znane od dziesięcioleci. Kiedy galaktyki oddziałują, grawitacyjne siły pływowe wyciągają długie strumienie gazu i pyłu. Dwa popularne przykłady to galaktyki Anteny i Myszy z ich długimi, wąskimi wypustkami przypominającymi palce.

Zespół astronomów wykorzystał połączenie nowych obserwacji i danych archiwalnych, aby określić wiek i masę gromad gwiazd z ogonem pływowym. Odkryli, że gromady te są bardzo młode – mają zaledwie 10 milionów lat. Wydaje się, że tworzą się w tym samym tempie wzdłuż ogonów rozciągających się na tysiące lat świetlnych.

Widzenie w ogonach dużej liczby młodych obiektów jest zaskoczeniem. To nam wiele mówi o efektywności tworzenia się gromad. Dzięki ogonom pływowym zbudujesz nowe generacje gwiazd, które w przeciwnym razie mogłyby nie istnieć.powiedział główny autor Michael Rodruck z Randolph-Macon College w Ashland w Wirginii.

Ogony wyglądają, jakby chwytały ramię spiralne galaktyki i rozciągały je w przestrzeń kosmiczną. Zewnętrzna część ramienia zostaje wyciągnięta jak cukierek w wyniku grawitacyjnego przeciągania liny pomiędzy parą oddziałujących galaktyk.

Przed połączeniem galaktyki były bogate w pyłowe obłoki wodoru cząsteczkowego, które mogły po prostu pozostać obojętne. Ale chmury zostały potrącone i zderzyły się ze sobą podczas spotkań. Spowodowało to sprężenie wodoru do punktu, w którym wytrąciła się burza ogniowa narodzin gwiazd. Los tych rozciągniętych gromad gwiazd jest niepewny. Mogą pozostać nienaruszone grawitacyjnie i ewoluować w gromady kuliste – takie jak te, które krążą poza płaszczyzną naszej galaktyki Drogi Mlecznej. Mogą też rozproszyć się, tworząc aureolę gwiazd wokół galaktyki macierzystej, lub zostać wyrzucone i stać się wędrującymi gwiazdami międzygalaktycznymi.

To powstawanie gwiazd w postaci sznura pereł mogło być częstsze we wczesnym Wszechświecie, kiedy galaktyki zderzały się ze sobą częściej. Te pobliskie galaktyki obserwowane przez Hubble’a są odzwierciedleniem tego, co wydarzyło się dawno temu, a zatem są laboratoriami patrzenia w odległą przeszłość.