웹 우주망원경, 천문학 이론을 거부하는 은하 발견

지금까지 기록된 두 번째와 네 번째로 먼 은하(UNCOVER z-13 및 UNCOVER z-12)의 존재가 제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)를 사용하여 확인되었습니다. 이 은하들은 판도라 성단(Abell 2744)에 위치하고 있으며 여기에서는 가시광선의 색상으로 변환된 근적외선 빛의 파장으로 표시됩니다. 주 클러스터 이미지는 하늘의 각거리를 측정하는 초 단위로 크기가 조정됩니다. 제임스 웹 망원경의 NIRCam-F277W 필터 범위에 있는 은하를 보여주는 흑백 이미지의 원은 조리개 크기가 0.32각초임을 나타냅니다. 출처: 클러스터 이미지: NASA, UNCOVER(Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) 삽입: NASA, UNCOVER(Wang et al., 2023) 합성: Danny Ziemba/Penn State

판도라 성단에 대한 후속 관측에서는 이렇게 극단적인 거리에서 발견되는 다른 은하보다 더 큰, 두 번째와 네 번째로 먼 은하의 존재가 확인되었습니다.

지금까지 발견된 두 번째와 네 번째로 가장 먼 은하계는 판도라 성단(Abell 2744)으로 알려진 우주 지역에서 발견되었습니다. NASA‘에스 제임스 웹 우주 망원경 (JWST). Penn State 연구원이 이끄는 국제 팀은 이 지역의 후속 심층 이미지(아래 이미지 참조)에서 이러한 고대 은하의 거리를 확인하고 새로운 분광 데이터(전자기 스펙트럼을 통해 방출되는 빛에 대한 정보)를 사용하여 해당 특성을 추론했습니다. JWST에서. 약 330억 광년 떨어져 있는 이 엄청나게 먼 은하들은 최초의 은하가 어떻게 형성되었는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

독특한 외관과 의미

사진에서 빨간색 점으로 나타나는 이 거리에서 확인된 다른 은하들과 달리, 새로운 은하들은 더 크고 땅콩과 푹신한 공처럼 보인다고 연구진은 말했습니다. 은하계를 설명하는 논문이 오늘(11월 13일) 저널에 게재되었습니다. 천체 물리학 저널 편지.

천문학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경이 촬영한 판도라 성단의 심야 이미지에 50,000개의 근적외선 광원이 있다고 추정합니다. 그 빛은 망원경의 감지기에 도달하기 위해 다양한 거리를 이동하여 하나의 이미지에서 우주의 광대함을 나타냅니다. 출처: 과학: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé(Swinburne), Rachel Bezanson(피츠버그 대학교), 이미지 처리: Alyssa Pagan(STScI)

“초기 우주에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며, 그 당시에 대해 배우고 은하 형성과 초기 성장에 대한 우리의 이론을 테스트할 수 있는 유일한 방법은 아주 먼 은하계를 통하는 것입니다.”라고 제1저자이자 University of University의 박사후 연구원인 Bingyi Wang이 말했습니다. 펜실베니아. Eberly 주립 과학 대학 및 회원 JWST UNCOVER 팀(재이온화 시대 이전의 Ultradeep NIRSpec 및 NIRCam 관측) 연구를 수행한 사람. “분석 전에 우리는 이 극한 거리에 있는 확인된 은하가 세 개뿐이라는 것을 알고 있었습니다. 이러한 새로운 은하와 그 특성을 연구하면 초기 우주에 있는 은하의 다양성과 그로부터 얼마나 많은 것을 배울 수 있는지가 밝혀졌습니다.

초기 우주에 대한 통찰

이 은하계의 빛은 지구에 도달하기 위해 오랜 시간을 이동해야 했기 때문에 과거를 들여다볼 수 있는 창을 제공합니다. 연구팀은 제임스 웹 우주망원경이 발견한 빛은 우주 탄생 약 3억3000만년 때 두 은하에서 방출돼 약 134억 광년을 이동해 제임스 웹 우주망원경에 도달한 것으로 추정하고 있다. 그러나 연구원들은 이 기간 동안 우주의 팽창으로 인해 은하계가 현재 지구로부터 330억 광년에 더 가까워졌다고 말했습니다.

UNCOVER 회원이자 Penn State 천문학 및 천체물리학 조교수인 Joel Lyja는 “이 은하계에서 나오는 빛은 지구보다 약 3배 오래된 고대의 빛입니다.”라고 말했습니다. “이 초기 은하들은 초기 우주를 구성한 매우 얇은 수소 가스를 통해 빛이 터지는 등대와 같습니다. 우주 새벽 근처에 은하계를 지배했던 이상한 물리학을 이해하기 시작할 수 있는 것은 오직 그들의 빛을 통해서만 가능합니다.”

과학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 판도라 성단에서 두 개의 먼 은하를 발견하여 초기 우주에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 크기와 모양이 독특한 이 은하들은 초기 우주의 은하 형성에 대한 우리의 이해에 도전하고 있습니다. 크레딧: NASA

두 은하가 이 먼 거리에서 이전에 존재했던 세 개의 은하보다 훨씬 더 크다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 하나는 적어도 6배 더 크며 너비는 약 2,000광년입니다. 비교하려고, 은하수 은하계의 크기는 약 100,000광년이지만 왕은 초기 우주는 매우 작았기 때문에 은하계가 그 정도로 클 수 있다는 것은 놀라운 일이라고 믿고 있습니다.

Wang은 “이전에 이 거리에서 발견된 은하들은 점 광원(point source)입니다. 그들은 우리 이미지에서 점으로 나타납니다”라고 말했습니다. “그러나 우리 중 하나는 땅콩처럼 길쭉하고 다른 하나는 얇은 공처럼 보입니다. 크기의 차이가 별이 어떻게 형성되었는지 또는 형성 후 일어난 일인지는 확실하지 않습니다. 은하의 성질은 정말 흥미롭습니다.. 이 초기 은하들은 비슷한 물질로 형성되었을 것으로 예상되지만 이미 서로 매우 다른 조짐을 보이고 있습니다.

연구 방법론

두 은하계는 과학 활동 첫 해인 2022년 제임스 웹 우주 망원경이 촬영한 최초의 심야 이미지 중 하나에서 발견된 판도라 성단의 60,000개 광원 중 하나입니다. 이 공간 영역은 중력 렌즈라고 불리는 자연 확대 효과를 생성하는 많은 은하단 뒤에 있기 때문에 부분적으로 선택되었습니다. 성단의 결합된 질량의 중력은 주변 공간을 왜곡하여 성단 근처를 통과하는 모든 빛을 집중시키고 증폭시켜 성단 뒤의 확대된 시야를 제공합니다.

몇 달 만에 UNCOVER 팀은 후속 연구를 위해 60,000개의 광원을 700개의 후보로 좁혔으며, 그 중 8개는 최초의 은하일 수 있다고 믿었습니다. 그런 다음 제임스 웹 우주 망원경은 다시 판도라 성단을 가리키며 후보의 스펙트럼을 기록했습니다. 이는 각 파장에서 방출되는 빛의 양을 자세히 나타내는 일종의 지문입니다.

Leija는 “여러 팀이 서로 다른 방법을 사용하여 고대 은하계를 검색하고 있으며, 각각 고유한 강점과 약점을 갖고 있습니다.”라고 말했습니다. “이 거대한 돋보기를 우주로 향하게 한다는 사실은 우리에게 믿을 수 없을 만큼 깊은 창을 제공하지만, 매우 작은 창이므로 주사위를 굴리고 있었습니다. 많은 후보자들이 결론을 내리지 못했고, 그 중 적어도 한 명은 사례였습니다. 그것은 훨씬 더 가까운 것이었습니다.” “그것은 먼 은하를 시뮬레이션합니다. 하지만 우리는 운이 좋았고, 그 중 두 개는 고대 은하로 밝혀졌습니다. 정말 놀랍습니다.”

속성 및 효과

연구원들은 또한 제임스 웹 우주 망원경이 감지한 빛을 방출할 때 초기 은하의 특성을 추론하기 위해 상세한 모델을 사용했습니다. 연구자들이 예상한 대로 두 은하계는 젊고 구성에 금속이 거의 없으며 빠르게 성장하고 활발하게 별을 형성하고 있었습니다.

“첫 번째 요소는 융합 과정을 통해 초기 별의 핵심에서 형성되었습니다.”라고 Lyja는 말했습니다. “이 초기 은하에는 금속과 같은 무거운 원소를 만든 최초의 공장 중 하나였기 때문에 금속과 같은 무거운 원소가 없었습니다. 물론 최초의 은하가 되려면 젊고 별을 형성해야 하지만 이를 확인하는 것은 당연합니다. 이러한 특성은 우리 모델의 중요한 기본 테스트이며 은하의 전체 모델을 확인하는 데 도움이 됩니다. 엄청난 폭발 이론.”

중력 렌즈와 결합된 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 적외선 장비는 더 먼 거리에 있는 은하를 탐지할 수 있어야 한다고 연구자들은 지적했습니다.

“우리는 이 지역을 볼 수 있는 아주 작은 창문을 갖고 있었고, 제임스 웹 우주 망원경이 그런 능력을 갖고 있음에도 불구하고 이 두 은하계 밖의 어떤 것도 관찰하지 못했습니다.”라고 Leja는 말했습니다. “이것은 그 이전에는 은하계가 형성되지 않았다는 것을 의미할 수도 있고, 더 먼 곳에서는 아무것도 발견할 수 없다는 의미일 수도 있고, 아니면 단지 작은 창문 때문에 운이 좋지 않았다는 의미일 수도 있습니다.”

이 작업은 James Webb 우주 망원경이 과학 운영 첫해에 어떻게 사용될 수 있는지 제안하는 NASA에 제출된 성공적인 제안의 결과였습니다. 처음 세 차례의 제출에서 NASA는 망원경으로 관찰할 수 있는 시간보다 4~10배 더 많은 제안을 받았고 그 제안 중 일부만 선택해야 했습니다.

“우리 제안이 받아들여졌을 때 우리 팀은 매우 기뻤고 약간 놀랐습니다.”라고 Leija는 말했습니다. “조정, 빠른 인간 행동, 동일한 물체에 망원경을 두 번 가리키는 것이 포함되었는데, 이는 첫해에 망원경에 대해 요구하는 것이 많았습니다. 무엇을 결정할지 결정하는 데 몇 달 밖에 걸리지 않았기 때문에 많은 압박감이 있었습니다. 하지만 그것은 만들어졌습니다. 제임스 웹 우주 망원경은 이러한 최초의 은하계를 찾기 위해 노력하고 있으며 지금 그렇게 하는 것은 매우 흥미진진합니다.

참조: “탐지: 초기 우주에 빛을 비추다 – z>12 은하의 JWST/NIRSpec 확인” 작성자: Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. 퍼탁, 팀 B. 밀러, 데이비드 J. 시튼, 아디 지트레인, 하킴 아티크, ​​레이첼 브장송, 가브리엘 브라머, 조엘 레자, 파스칼 A. 오쉬, 세도나 H. 프라이스, 이리나 체메린스카, 샘 E. 커틀러, 프라티카 다얄, 피터 반 도쿰, 앤디 드 골딩, 제니 E. 그린, Y. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker 및 Christina C. Williams, 2023년 11월 13일, 천체 물리학 저널 편지.
도이: 10.3847/2041-8213/acfe07

이 팀에는 Penn State 외에도 텍사스 대학교 오스틴, 호주 Swinburne 기술 대학교, 이스라엘 네게브 벤 구리온 대학교, 이스라엘 네게브 벤 구리온 대학교의 연구원이 포함되어 있습니다. 예일대 학교피츠버그대학교, 프랑스 소르본대학교, 덴마크 코펜하겐대학교, 스위스 제네바대학교, 매사추세츠대학교, 네덜란드 흐로닝언대학교, 프린스턴 대학교일본 와세다 대학, 터프츠 대학, 국립 광학 및 적외선 천문학 연구소(NOIR) 연구.

이 작업은 NASA, 미국-이스라엘 이중 과학 재단, 미국 국립 과학 재단, 이스라엘 과학 기술부, 프랑스 국립 우주 연구 센터, 프랑스 국립 지구과학 및 천문학 연구소 및 연구의 지원을 받았습니다. 센터. 과학진흥재단, 네덜란드 연구 위원회, 유럽 위원회, 흐로닝언 대학이 로잘린드 프랭클린 프로그램, 일본 국립 천문대, NOIR 연구소에 공동 자금을 지원합니다.