De op een na en op drie na verste sterrenstelsels die ooit zijn waargenomen, zijn ontdekt in een gebied in de ruimte dat bekend staat als Pandora's Cluster, of Abell 2744, met behulp van gegevens van NASA's James Webb Space Telescope (JWST). Een internationaal team onder leiding van Penn State-onderzoekers bevestigde de afstand van deze oude sterrenstelsels en leidde hun eigenschappen af met behulp van nieuwe spectroscopische gegevens, informatie over licht dat in het elektromagnetische spectrum wordt uitgezonden, van JWST. Op een afstand van bijna 33 miljard lichtjaar bieden deze ongelooflijk verre sterrenstelsels inzicht in hoe de vroegste sterrenstelsels gevormd zouden kunnen zijn.
In tegenstelling tot andere sterrenstelsels die op deze afstand zijn bevestigd en die op foto's verschijnen als rode stippen, zijn de nieuwe sterrenstelsels groter en lijken ze op een pinda en een pluizige bal, aldus de onderzoekers. Een artikel over de sterrenstelsels verschijnt vandaag (13 november) in het tijdschrift Astrophysical Journal Letters.
"Er is heel weinig bekend over het vroege heelal, en de enige manier om meer te weten te komen over die tijd en om onze theorieën over de vorming en groei van vroege sterrenstelsels te testen, is met deze zeer verre sterrenstelsels", zegt eerste auteur Bingjie Wang, postdoc in het Penn State Eberly College of Science en lid van het JWST UNCOVER-team (Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) dat het onderzoek uitvoerde. "Voorafgaand aan onze analyse kenden we slechts drie sterrenstelsels die op deze extreme afstand bevestigd waren. Het bestuderen van deze nieuwe sterrenstelsels en hun eigenschappen heeft de diversiteit van sterrenstelsels in het vroege heelal laten zien en hoeveel er van hen te leren valt."
Omdat het licht van deze sterrenstelsels zo lang heeft moeten reizen om de aarde te bereiken, biedt het een venster naar het verleden. Het onderzoeksteam schat dat het licht dat door JWST is gedetecteerd door de twee sterrenstelsels is uitgezonden toen het heelal ongeveer 330 miljoen jaar oud was en ongeveer 13,4 miljard lichtjaar heeft gereisd om de JWST te bereiken. Maar, aldus de onderzoekers, de sterrenstelsels bevinden zich momenteel dichter bij 33 miljard lichtjaar van de aarde als gevolg van de uitdijing van het heelal in deze periode.
"Het licht van deze sterrenstelsels is oeroud, ongeveer drie keer ouder dan de aarde", zegt Joel Leja, assistent-professor astronomie en astrofysica aan Penn State en lid van UNCOVER. "Deze vroege sterrenstelsels zijn als bakens, met licht dat door het zeer ijle waterstofgas barstte waaruit het vroege heelal bestond. Alleen door hun licht kunnen we de exotische fysica begrijpen die het sterrenstelsel regeerde bij de kosmische dageraad." Opmerkelijk is dat de twee sterrenstelsels aanzienlijk groter zijn dan de drie sterrenstelsels die eerder op deze extreme afstanden stonden. Eén is minstens zes keer zo groot en heeft een doorsnede van ongeveer 2000 lichtjaar. Ter vergelijking: de Melkweg heeft een doorsnede van ongeveer 100.000 lichtjaar, maar Wang zei dat het vroege heelal waarschijnlijk erg gecomprimeerd was, dus het is verrassend dat het sterrenstelsel zo groot is.
"Eerder ontdekte sterrenstelsels op deze afstanden zijn puntbronnen, ze verschijnen als een stip op onze beelden," zei Wang. "Maar een van de onze lijkt langwerpig, bijna als een pinda, en de andere lijkt op een pluizige bal. Het is onduidelijk of het verschil in grootte komt door hoe de sterren gevormd zijn of wat er met ze gebeurd is nadat ze gevormd zijn, maar de diversiteit in de eigenschappen van de sterrenstelsels is erg interessant. Er wordt verwacht dat deze vroege sterrenstelsels uit vergelijkbare materialen zijn gevormd, maar ze vertonen nu al tekenen dat ze heel verschillend van elkaar zijn."
De twee sterrenstelsels behoorden tot de 60.000 lichtbronnen in Pandora's Cluster die zijn gedetecteerd op een van de eerste deep field-beelden van JWST die in 2022, het eerste jaar van de wetenschappelijke activiteiten, zijn gemaakt. Dit gebied in de ruimte werd deels geselecteerd omdat het zich achter verschillende clusters van sterrenstelsels bevindt die een natuurlijk vergrotingseffect creëren dat gravitationele lensing wordt genoemd. De zwaartekracht van de gecombineerde massa van de clusters trekt de ruimte eromheen krom, focust en vergroot al het licht dat in de buurt passeert en zorgt voor een vergroot zicht achter de clusters.
In een paar maanden tijd verkleinde het UNCOVER-team de 60.000 lichtbronnen tot 700 kandidaten voor vervolgonderzoek, waarvan ze dachten dat acht mogelijk tot de eerste sterrenstelsels zouden kunnen behoren. Vervolgens richtte JWST zich weer op Pandora's Cluster en registreerde het de spectra van de kandidaten - een soort vingerafdruk die de hoeveelheid licht weergeeft op elke golflengte.
"Verschillende teams gebruiken verschillende benaderingen om naar deze oude sterrenstelsels te zoeken en elk team heeft zijn sterke en zwakke punten," zei Leja. "Het feit dat we op deze gigantische vergrootlens in de ruimte richten, geeft ons een ongelooflijk diep venster, maar het is een heel klein venster, dus we gooiden de dobbelstenen. Verschillende kandidaten waren niet overtuigend en minstens één was een geval van persoonsverwisseling - het was iets veel dichterbij dat een ver sterrenstelsel nabootste. Maar we hadden geluk en twee bleken deze oude sterrenstelsels te zijn. Het is ongelooflijk."
De onderzoekers gebruikten ook gedetailleerde modellen om de eigenschappen van deze vroege sterrenstelsels af te leiden toen ze het licht uitzonden dat door JWST werd gedetecteerd. Zoals de onderzoekers verwachtten, waren de twee sterrenstelsels jong, hadden ze weinig metalen in hun samenstelling en groeiden ze snel en vormden ze actief sterren. "De eerste elementen werden gesmeed in de kernen van vroege sterren door het proces van fusie," zei Leja. "Het is logisch dat deze vroege sterrenstelsels geen zware elementen zoals metalen hebben, omdat ze enkele van de eerste fabrieken waren om die zware elementen te bouwen. En natuurlijk zouden ze jong en stervormend moeten zijn om de eerste sterrenstelsels te zijn, maar de bevestiging van deze eigenschappen is een belangrijke basistest van onze modellen en helpt het hele paradigma van de oerknaltheorie te bevestigen."
De onderzoekers merkten op dat, naast de zwaartekrachtlens, de krachtige infraroodinstrumenten van JWST in staat zouden moeten zijn om sterrenstelsels op nog grotere afstand te detecteren, als ze bestaan. "We hadden een heel klein venster in dit gebied, en we hebben niets waargenomen voorbij deze twee sterrenstelsels, ook al heeft JWST de mogelijkheid," zei Leja. "Dat zou kunnen betekenen dat sterrenstelsels zich voor die tijd gewoon niet hebben gevormd en dat we niets verder weg zullen vinden. Of het kan betekenen dat we niet genoeg geluk hebben gehad met ons kleine venster."
Dit werk was het resultaat van een succesvol voorstel dat bij NASA werd ingediend en waarin werd voorgesteld hoe JWST kon worden gebruikt tijdens het eerste jaar van wetenschappelijke activiteiten. In de eerste drie cycli van voorstellen ontving NASA vier tot tien keer meer voorstellen dan de beschikbare waarneemtijd van de telescoop toeliet en moest slechts een fractie van die voorstellen selecteren. "Ons team was erg opgewonden en een beetje verrast toen ons voorstel werd geaccepteerd," zei Leja. "Het ging om coördinatie, snelle menselijke actie en de telescoop die twee keer naar hetzelfde wees, wat veel gevraagd is van een telescoop in zijn eerste jaar. Er was veel druk omdat we maar een paar maanden hadden om de objecten te bepalen voor follow-up. Maar JWST is gebouwd om deze eerste sterrenstelsels te vinden en het is zo spannend om dat nu te doen."
Naast Penn State bestaat het team uit onderzoekers van de University of Texas Austin, de Swinburne University of Technology in Australië, Ben-Gurion University of the Negev in Israël, Yale University, de University of Pittsburgh, Sorbonne Université in Frankrijk, de University of Copenhagen in Denemarken, de University of Geneva in Zwitserland, de University of Massachusetts, de University of Groningen in Nederland, Princeton University, Waseda University in Japan, Tufts University en het National Optical-Infrared Astronomy Research (NOIR) Lab.
Dit werk werd ondersteund door NASA, de United States-Israel Binational Science Foundation, de U.S. National Science Foundation, het Israëlische Ministerie van Wetenschap & Technologie, het Franse Nationale Centrum voor Ruimtestudies, het Franse Nationale Instituut voor Aardwetenschappen en Astronomie, de Research Corporation for Scientific Advancement, de Nederlandse Onderzoeksraad, het CO-FUND Rosalind Franklin-programma van de Europese Commissie en de Rijksuniversiteit Groningen, het National Astronomical Observatory van Japan en het NOIR Lab.
Bron: EurekAlert/AAAS
