ウェッブ宇宙望遠鏡、天文学の理論に反する銀河を発見

これまでに記録された中で 2 番目と 4 番目に遠い銀河 (UNCOVER z-13 および UNCOVER z-12) の存在が、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ (NIRCam) を使用して確認されました。 これらの銀河はパンドラ星団 (アベル 2744) 内に位置しており、ここでは可視光の色に変換された光の近赤外線波長として示されています。 メインの星団画像は、空の角距離の尺度である秒角でスケールされています。 ジェームス ウェッブ望遠鏡に搭載された NIRCam-F277W フィルターの範囲内にある銀河を示す白黒画像内の円は、開口サイズが 0.32 秒角であることを示しています。 出典: クラスター画像: NASA、UNCOVER (Bezanson et al.、DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) 挿入: NASA、UNCOVER (Wang et al.、2023) 合成: Danny Ziemba/Penn State

その後のパンドラ星団の観測では、これまでで 2 番目と 4 番目に遠い銀河の存在が確認され、これはそのような極端な距離で見つかった他の銀河よりも大きいものでした。

これまでに発見された 2 番目と 4 番目に遠い銀河は、パンドラ星団またはアベル 2744 として知られる宇宙領域で発見されました。 NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)。 ペンシルベニア州立大学の研究者が率いる国際チームは、この地域の追跡深視野画像（下の画像を参照）で、これらの古代銀河の距離を確認し、新しい分光データ（電磁スペクトル全体で放射される光に関する情報）を使用してそれらの性質を推測した。 JWSTより。 約 330 億光年離れたこれらの信じられないほど遠い銀河は、最初の銀河がどのように形成されたのかについての洞察を提供します。

ユニークな外観と重要性

研究者らによると、この距離にある他の銀河は画像では赤い点として表示されるが、この銀河とは異なり、新しい銀河はより大きく、ピーナッツやふわふわしたボールのように見えるという。 銀河について説明した論文が本日（11月13日）ジャーナルに掲載される 天体物理学ジャーナルレター。

天文学者らは、NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡からのパンドラ星団のこの深視野画像には 50,000 個の近赤外光源が表現されていると推定しています。 その光はさまざまな距離を移動して望遠鏡の検出器に到達し、1 つの画像で宇宙の広大さを表現します。 クレジット: 科学: NASA、ESA、CSA、Ivo Lappé (Swinburne)、Rachel Bezanson (ピッツバーグ大学)、画像処理: Alyssa Pagan (STScI)

「初期の宇宙についてはほとんどわかっていません。当時のことを知り、銀河の形成と初期の成長に関する私たちの理論を検証する唯一の方法は、これらの非常に遠い銀河を通じて行うことです」と、筆頭著者で博士研究員のビンギ・ワン氏は述べた。ペンシルバニア。 エバリー州立科学大学およびそのメンバー JWST UNCOVER チーム (再電離時代以前の超深度 NIRSpec および NIRCam 観測) 研究を行った人。 「分析するまで、このような極端な距離にある確認された銀河は 3 つだけでした。これらの新しい銀河とその性質を研究することで、初期宇宙の銀河の多様性と、そこからどれだけのことが学べるかが明らかになりました。」

初期宇宙についての洞察

これらの銀河からの光は地球に到達するまでに長い時間を要したため、過去への窓を提供します。 研究チームは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が発見した光は、宇宙が誕生した約3億3000万年前に2つの銀河から発せられ、約134億光年進んでジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に到達したと推定している。 しかし研究者らは、この期間の宇宙の膨張により、銀河は現在地球から330億光年に近づいていると述べた。

「これらの銀河からの光は古代のもので、地球よりも約3倍古いです」とペンシルバニア州立大学の天文学と天体物理学の准教授でUNCOVERのメンバーであるジョエル・ライガは述べた。 「これらの初期の銀河は灯台のようなもので、初期の宇宙を構成していた非常に薄い水素ガスを通して光がほとばしっています。私たちはその光を通してのみ、宇宙の夜明け近くに銀河を支配していた奇妙な物理学を理解し始めることができます。」

科学者たちはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用して、パンドラ星団の中に遠くにある 2 つの銀河を発見し、初期宇宙についての新たな洞察をもたらしました。 これらの銀河は、大きさと外観が独特であり、宇宙初期の銀河形成に関する私たちの理解に疑問を投げかけています。 クレジット: NASA

2 つの銀河が、このような遠距離にある以前に存在した 3 つの銀河よりもはるかに大きいことは注目に値します。 1 つは少なくとも 6 倍大きく、直径は約 2,000 光年です。 比較のために、 天の川 この銀河の直径は約10万光年だが、初期の宇宙は非常にコンパクトだったとワン博士は信じているため、銀河がこれほど大きくなる可能性があることは驚くべきことである。

「これまでにこのような距離で発見された銀河は点源です。私たちの画像では点として見えます」とワン氏は語った。 「しかし、私たちの星のうちの1つは細長く、ほとんどピーナッツのように見え、もう1つは薄いボールのように見えます。サイズの違いが星がどのように形成されたのか、それとも星が形成された後に何が起こったのかは明らかではありませんが、星の多様性は、これらの初期銀河は類似した物質から形成されたと予想されていますが、すでに互いに大きく異なる兆候を示しています。

研究方法

この2つの銀河は、科学活動の初年度である2022年にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって撮影された最初の深視野画像の1つで発見されたパンドラ星団内の6万個の光源の中に含まれていた。 この領域が選ばれた理由の 1 つは、この領域が重力レンズと呼ばれる自然な拡大効果を生み出す多くの銀河団の背後にあるためです。 クラスターの質量が結合した重力によって周囲の空間が歪み、クラスターの近くを通過する光が集束して増幅され、クラスターの背後の拡大された視界が提供されます。

数カ月以内に、UNCOVERチームは6万個の光源を追跡研究の対象となる700個の候補に絞り込み、そのうちの8個が最初の銀河の1つである可能性があると考えている。 次に、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は再びパンドラ星団を指し、候補のスペクトル、つまり各波長で放出される光の量を詳細に示す一種の指紋を記録しました。

「いくつかの異なるチームが、これらの古代銀河を探索するために異なる方法を使用していますが、それぞれに独自の長所と短所があります」とレイヤ氏は述べた。 「この巨大な虫眼鏡を宇宙に向けているという事実は、信じられないほど深い窓を与えてくれますが、それは非常に小さな窓なので、私たちはサイコロを振っていました。候補の多くは決定的ではなく、そのうちの少なくとも1つは事件でした」 「これは、遠い銀河を模倣したものです。しかし幸運なことに、そのうちの 2 つが古代の銀河であることが判明しました。信じられないほどです。」

性質と効果

研究者らはまた、詳細なモデルを使用して、これらの初期銀河がジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって検出された光を放出するときの特性を推測しました。 研究者らの予想通り、この2つの銀河は若く、組成中に金属がほとんど含まれておらず、急速に成長し、活発に星を形成していた。

「最初の元素は、核融合の過程を通じて初期の星の中心で形成されました」とリヤ氏は語った。 「これらの初期の銀河には、金属などの重元素がなかったのは当然です。なぜなら、これらの銀河は、それらの重元素を製造した最初の工場の1つだったからです。もちろん、最初の銀河になるためには、それらが若くて星を形成している必要がありますが、それは裏付けです」これらの特性はモデルの重要な基礎テストであり、銀河の完全なモデルを確認するのに役立ちます。 大爆発 理論。”

研究者らは、重力レンズと組み合わせることで、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の強力な赤外線機器は、より遠くに銀河が存在する場合にはそれを検出できるはずだと指摘した。

「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡にはその能力があるにもかかわらず、私たちはこの領域への窓が非常に小さく、これら 2 つの銀河の外側には何も観察できませんでした」とレヤ氏は語った。 「これは、それ以前には銀河が形成されず、それより遠くには何も見つからなかったことを意味するのかもしれません。あるいは、窓が小さかったために単に幸運がなかっただけかもしれません。」

この研究は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を科学運用の初年度にどのように使用できるかを提案する NASA に提出された提案が成功した結果として誕生しました。 最初の 3 回の提案では、NASA は望遠鏡で利用できる観測時間の 4 ～ 10 倍の提案を受け取り、その提案の一部のみを選択する必要がありました。

「私たちの提案が受け入れられたとき、私たちのチームはとても興奮しましたが、少し驚きました」とレイヤ氏は言いました。 「調整、人間の素早い行動、同じ天体に望遠鏡を 2 回向ける必要があり、初年度の望遠鏡には多くのことが求められます。何をするかを決めるのに数か月しか時間がなかったので、大きなプレッシャーがありました」ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はこれらの最初の銀河の発見に取り組んでおり、今それを行うことは非常にエキサイティングです。

参考文献: 「検出: 初期宇宙に光を当てる — JWST/NIRSpec による z>12 銀河の確認」Benjie Wang、冰洁王、藤本誠司、Ivo Lappé、Lukas J. フルタク、ティム B. ミラー、デヴィッド J. シートン、アディ・ジトレイン、ハキム・アティク、レイチェル・ブザンソン、ガブリエル・ブラマー、ジョエル・レハ、パスカル・A. オッシュ、セドナ H. プライス、イリーナ チェメリンスカ、サム E. カトラー、プラティカ ダヤル、ピーター ヴァン ドックム、アンディ デ ゴールディング、ジェニー E. グリーン、Y. ボーダモト、ガウラフ・カラール、ヴァシリー・ココレフ、ダニーロ・マルケジーニ、リチャード・パン、ジョン・R・ウィーバー、キャサリン・E・ウィテカー、クリスティーナ・C・ウィリアムズ、2023年11月13日、 天体物理学ジャーナルレター。
土井: 10.3847/2041-8213/acfe07

このチームには、ペンシルベニア州立大学に加えて、テキサス大学オースティン校、オーストラリアのスウィンバーン工科大学、イスラエルのネゲブ・ベン・グリオン大学、イスラエルのネゲブ・ベン・グリオン大学の研究者が含まれています。 イェール大学、ピッツバーグ大学、フランスのソルボンヌ大学、デンマークのコペンハーゲン大学、スイスのジュネーブ大学、マサチューセッツ大学、オランダのフローニンゲン大学、 プリンストン大学日本の早稲田大学、タフツ大学、国立光学・赤外線天文学研究所 (NOIR) 研究。

この研究は、NASA、米国イスラエル双科学財団、米国国立科学財団、イスラエル科学技術省、フランス国立宇宙研究センター、フランス国立地球科学天文学研究所、および研究の支援を受けました。中心。 Foundation for the Advancement of Science、オランダ研究評議会、欧州委員会、フローニンゲン大学は、ロザリンド・フランクリン・プログラム、国立天文台、NOIR研究所に共同で資金提供しています。