Dzięki dużemu, zbierającemu światło zwierciadłu i czułości na podczerwień, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) doskonale nadaje się do badania galaktyk, które istniały we wczesnym Wszechświecie, zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nieco ponad miesiąc czasu obserwacyjnego Webba poświęcony jest przeglądowi JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). JADES zajrzy głęboko we Wszechświat, aby zbadać niektóre z najsłabszych i najodleglejszych galaktyk. Wśród pierwszych odkryć programu: setki galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 600 milionów lat, oraz galaktyki, które przeszły powtarzające się wybuchy formowania gwiazd.
Jednym z najbardziej fundamentalnych pytań w astronomii jest: Jak powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki? Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już dostarcza nowych informacji na ten temat. Jednym z największych programów w pierwszym roku nauki Webba jest JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), który poświęci około 32 dni czasu teleskopowego na odkrycie i scharakteryzowanie słabych, odległych galaktyk. Podczas gdy dane wciąż nadchodzą, JADES odkrył już setki galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 600 milionów lat. Zespół zidentyfikował również galaktyki mieniące się mnóstwem młodych, gorących gwiazd.
Fabryki gwiazd
Ryan Endsley z University of Texas w Austin prowadził badania galaktyk, które istniały od 500 do 850 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Był to kluczowy czas znany jako Epoka Rejonizacji. Przez setki milionów lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był wypełniony mgłą gazową, która czyniła go nieprzezroczystym dla energetycznego światła. Miliard lat po Wielkim Wybuchu mgła się rozjaśniła, a wszechświat stał się przezroczysty, proces znany jako rejonizacja. Naukowcy debatowali, czy aktywne, supermasywne czarne lub galaktyki pełne gorących, młodych gwiazd były główną przyczyną rejonizacji.
W ramach programu JADES Endsley i jego koledzy badali te galaktyki w poszukiwaniu sygnatur powstawania gwiazd – i znaleźli ich pod dostatkiem.
Te jasne, masywne gwiazdy wypompowywały strumienie światła ultrafioletowego, które przekształcało otaczający gaz z nieprzezroczystego w przezroczysty poprzez jonizację atomów, usuwając elektrony z ich jąder. Ponieważ te wczesne galaktyki miały tak dużą populację gorących, masywnych gwiazd, mogły być głównym motorem procesu rejonizacji. Późniejsze ponowne połączenie elektronów i jąder wytwarza wyraźnie silne linie emisyjne.
Endsley i jego koledzy znaleźli również dowody na to, że te młode galaktyki przechodziły okresy szybkiego formowania się gwiazd przeplatane okresami ciszy, w których formowało się mniej gwiazd. Te ataki i początki mogły nastąpić, gdy galaktyki przechwyciły zagęszczenia gazowych surowców potrzebnych do uformowania gwiazd. Alternatywnie, ponieważ masywne gwiazdy szybko eksplodują, mogły okresowo wstrzykiwać energię do otaczającego środowiska, zapobiegając kondensacji gazu w celu utworzenia nowych gwiazd.
Wczesny wszechświat objawiony
Kolejnym elementem programu JADES jest poszukiwanie najwcześniejszych galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 400 milionów lat. Badając te galaktyki, astronomowie mogą zbadać, w jaki sposób powstawanie gwiazd we wczesnych latach po Wielkim Wybuchu różniło się od tego, co obserwuje się obecnie. Światło z odległych galaktyk jest rozciągane do dłuższych fal i bardziej czerwonych kolorów przez rozszerzanie się wszechświata – zjawisko zwane przesunięciem ku czerwieni. Mierząc przesunięcie ku czerwieni galaktyki, astronomowie mogą dowiedzieć się, jak daleko się ona znajduje, a zatem kiedy istniała we wczesnym Wszechświecie. Przed Webbem było tylko kilkadziesiąt galaktyk obserwowanych powyżej przesunięcia ku czerwieni 8, kiedy Wszechświat miał mniej niż 650 milionów lat, ale JADES odkrył już prawie tysiąc tych ekstremalnie odległych galaktyk.
Złoty standard określania przesunięcia ku czerwieni polega na spojrzeniu na widmo galaktyki, które mierzy jej jasność na niezliczonych długościach fal. Ale dobre przybliżenie można określić, robiąc zdjęcia galaktyki za pomocą filtrów, z których każdy pokrywa wąskie pasmo kolorów, aby uzyskać garść pomiarów jasności. W ten sposób naukowcy mogą określić szacunki odległości wielu tysięcy galaktyk jednocześnie.
Kevin Hainline z University of Arizona w Tucson i jego koledzy wykorzystali instrument Webba NIRCam (Near-Infrared Camera) do uzyskania tych pomiarów, zwanych fotometrycznymi przesunięciami ku czerwieni, i zidentyfikowali ponad 700 kandydatek na galaktyki, które istniały, gdy Wszechświat miał od 370 do 650 milionów lat. Sama liczba tych galaktyk znacznie przekraczała przewidywania z obserwacji wykonanych przed wystrzeleniem Webba. Znakomita rozdzielczość i czułość obserwatorium pozwalają astronomom uzyskać lepszy widok tych odległych galaktyk niż kiedykolwiek wcześniej.