Empat wahyu dari teleskop Webb tentang galaksi jauh

NASA telah membangun Teleskop Luar Angkasa James Webb yang canggih mengintip ke alam semesta yang jauh dan kembali ke awal waktu – sudah dengan cara yang spektakuler. Dalam dua minggu sejak gambar dan data ilmiah pertama Webb tersedia bagi para astronom, mereka telah melaporkan serentetan penemuan awal, termasuk beberapa pesaing untuk galaksi terjauh yang pernah dilihat.

Gambar Webb menunjukkan sejumlah besar galaksi yang berkilauan di kosmos yang jauh, muncul saat mereka muncul hanya beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang 13,8 miliar tahun yang lalu. itu teleskop gambar yang luar biasa tajam telah mengguncang prasangka para astronom tentang alam semesta awal.

“Kami memiliki gagasan tentang galaksi-galaksi ini [distances] akan terlihat seperti dan seberapa banyak detail yang bisa kita lihat, tetapi saya pikir kenyataan membuat kita terpesona,” kata Jeyhan Kartaltepe, astronom di Institut Teknologi Rochester di New York.

Berikut adalah beberapa hal yang dipelajari para astronom dari pengamatan awal Webb.

Ada banyak sekali galaksi di luar sana.

Karena Webb mendeteksi cahaya inframerah dan perluasan kosmos merentangkan cahaya ke panjang gelombang yang lebih merah, teleskop sangat cocok untuk melihat galaksi yang terbentuk di awal sejarah alam semesta. Dalam program pengamatan pertamanya, yang dimulai pada bulan Juni, Webb menemukan banyak galaksi jauh yang berada di luar jangkauan observatorium lain seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble.

“Ini menunjukkan, seperti yang dikatakan banyak dari kita, bahwa ada galaksi di luar sana di luar apa yang telah kita lihat dengan Hubble,” kata Richard Ellis, seorang astronom di University College London.

Era galaksi awal dimulai dengan “fajar kosmik”, sekitar 250 juta tahun setelah Big Bang, ketika bintang-bintang pertama terbentuk dan menerangi alam semesta. Bintang-bintang generasi berikutnya mengelompok menjadi galaksi, yang merupakan bintik merah samar yang mulai dideteksi Webb.

Banyak dari gambar Webb dibumbui dengan galaksi yang belum pernah terlihat sebelumnya di alam semesta yang jauh. “Hampir tidak ada ruang kosong yang tidak memiliki apa-apa,” kata Kartaltepe.

Sebuah studi menyisir data dari banyak bidang galaksi jauh yang telah diamati Webb hingga saat ini untuk menganalisis tingkat pembentukan bintang di alam semesta awal. Ia menemukan 44 galaksi yang sebelumnya tidak diketahui yang berasal dari 300 juta tahun setelah Big Bang. Bersama dengan 11 galaksi yang diketahui sebelumnya, hasilnya menunjukkan bahwa ada populasi yang signifikan dari galaksi pembentuk bintang di alam semesta awal.¹. Hasilnya “mengkonfirmasi kembali potensi besar dari yang lebih besar yang akan datang [Webb] Program untuk mengubah pemahaman kita tentang alam semesta muda,” tulis tim yang dipimpin oleh Callum Donnan dari University of Edinburgh, Inggris, dalam sebuah artikel di server pracetak arXiv.

Banyak galaksi bersaing untuk mendapatkan gelar “terjauh”.

Mungkin serbuan yang paling terkenal adalah serbuan tim peneliti yang berlomba-lomba mengidentifikasi galaksi terjauh dalam data Webb. Sejumlah kandidat telah ditemukan yang memerlukan studi lebih lanjut untuk mengkonfirmasi, tetapi semuanya akan memecahkan rekor Hubble untuk galaksi terjauh, yang berumur sekitar 400 juta tahun setelah Big Bang.^2,3.

Pesaing muncul dalam survei Webb yang disebut GLASS, yang menyertakan galaksi lain yang sedikit lebih jauh dalam gambar yang sama⁴. “Sungguh mengejutkan kami menemukan dua galaksi terang ini,” kata Marco Castellano, astronom di National Institute for Astrophysics di Roma. Dia dan rekan-rekannya tidak menyangka akan menemukan galaksi yang begitu jauh di bagian kecil langit ini. Tim kedua juga menemukan dua galaksi secara independen⁵.

Para astronom mengkarakterisasi jarak galaksi menggunakan ukuran yang dikenal sebagai pergeseran merah, yang mengukur seberapa banyak cahaya galaksi telah bergeser ke panjang gelombang yang lebih merah; semakin tinggi pergeseran merah, semakin jauh galaksi. Kandidat KACA memiliki pergeseran merah sekitar 13. Tetapi pada tanggal 25 dan 26 Juli, beberapa hari setelah para astronom melaporkan galaksi KACA, makalah yang mengklaim pergeseran merah yang lebih tinggi membanjiri server pracetak arXiv. “Ini baru permulaan dari permulaan,” kata Rohan Naidu, astronom di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Massachusetts.

Seorang kandidat dengan pergeseran merah 14 muncul dalam survei yang disebut CEERS, salah satu proyek awal Webb yang paling terkenal. Penyelidik utama CEERS Steven Finkelstein dari University of Texas di Austin menjuluki objek itu Galaksi Maisie, setelah putrinya⁶. Studi lain sangat memperhatikan ini gambar bidang dalam pertama dari Webbdirilis oleh Presiden AS Joe Biden pada 11 Juli, dan menemukan dua galaksi potensial pada pergeseran merah 16, yang akan menempatkan mereka hanya 250 juta tahun setelah Big Bang⁷. Dan makalah arXiv lainnya berspekulasi tentang kandidat lain, bahkan hingga pergeseran merah 20^{tanggal 8}.

Beberapa galaksi awal ternyata sangat kompleks.

Galaksi jauh Webb juga ternyata memiliki struktur lebih dari yang diperkirakan para astronom.

Sebuah studi tentang citra medan-dalam pertama Webb menemukan jumlah galaksi jauh yang mengejutkan yang berbentuk seperti cakram⁹. Dengan bantuan Hubble, para astronom telah menyimpulkan bahwa galaksi-galaksi jauh lebih berbentuk tidak beraturan daripada galaksi-galaksi terdekat, yang, seperti Bima Sakti, seringkali memiliki bentuk seperti piringan biasa. Teorinya adalah bahwa galaksi awal lebih sering terdistorsi oleh interaksi dengan galaksi tetangga. Tetapi pengamatan Webb menunjukkan ada hingga sepuluh kali lebih banyak galaksi berbentuk cakram jauh seperti yang diperkirakan sebelumnya.

“Dengan resolusi James Webb, kita dapat melihat bahwa galaksi memiliki cakram jauh lebih awal dari yang kita duga,” kata Allison Kirkpatrick, astronom di University of Kansas di Lawrence. Itu masalah, katanya, karena bertentangan dengan teori evolusi galaksi sebelumnya. “Kita harus mencari tahu.”

Manuskrip pracetak lainnya menunjukkan bahwa galaksi masif terbentuk lebih awal di Alam Semesta daripada yang diketahui sebelumnya. Sebuah tim yang dipimpin oleh Ivo Labbé dari Swinburne University of Technology di Melbourne, Australia, melaporkan menemukan tujuh galaksi besar dengan pergeseran merah antara 7 dan 10 di bidang CEERS¹⁰. “Kami menyimpulkan bahwa wilayah pusat setidaknya beberapa galaksi masif sebagian besar hadir sedini 500 juta tahun setelah Big Bang, dan bahwa pembentukan galaksi masif dimulai sangat awal dalam sejarah Semesta,” tulis para ilmuwan.

Dan studi kimia galaksi juga mengungkapkan gambaran yang kaya dan rumit yang muncul dari data Webb. Analisis gambar medan dalam pertama memeriksa cahaya yang dipancarkan oleh galaksi pada pergeseran merah 5 atau lebih. (Garis spektral yang muncul pada panjang gelombang cahaya yang berbeda berkorelasi dengan unsur-unsur kimia yang membentuk galaksi.) Ia menemukan kekayaan yang mengejutkan dalam unsur-unsur seperti oksigen¹¹. Para astronom mengira proses pengayaan kimia – di mana bintang-bintang menggabungkan hidrogen dan helium untuk membentuk unsur-unsur yang lebih berat – akan memakan waktu cukup lama, tetapi menyadari bahwa itu sedang berlangsung di galaksi-galaksi awal “akan mengarahkan kita untuk memperkirakan kecepatannya.” untuk mempertimbangkan kembali bagaimana pembentukan bintang terjadi” . , kata Kirkpatrick.

Galaksi yang lebih dekat lebih kecil dari yang diperkirakan.

Kejutan Webb berlanjut bahkan agak belakangan dalam evolusi alam semesta. Satu studi mengamati pengamatan Webb tentang “siang kosmik”, sekitar 3 miliar tahun setelah Big Bang. Pada titik ini pembentukan bintang di alam semesta berada pada puncaknya dan sebagian besar cahaya sedang diproduksi.

Wren Suess, seorang astronom di University of California, Santa Cruz, membandingkan gambar galaksi Hubble pada siang hari kosmik dengan gambar Webb dari galaksi yang sama. Pada panjang gelombang inframerah yang dideteksi oleh Webb, sebagian besar galaksi masif tampak jauh lebih kecil daripada yang terlihat pada gambar Hubble¹². “Ini berpotensi mengubah seluruh pandangan kita tentang bagaimana ukuran galaksi berevolusi dari waktu ke waktu,” kata Suess. Studi Hubble menunjukkan bahwa galaksi mulai kecil dan tumbuh lebih besar dari waktu ke waktu, tetapi hasil Webb menunjukkan bahwa Hubble tidak memiliki gambaran keseluruhan, dan dengan demikian evolusi galaksi mungkin lebih rumit daripada yang diantisipasi para ilmuwan.

Dengan Webb hanya pada awal lebih dari 20 tahun pekerjaan yang direncanakan, para astronom tahu ada banyak perubahan di depan. “Saat ini saya berbaring terjaga pada jam 3 pagi,” kata Kirkpatrick, “dan saya bertanya-tanya apakah semua yang pernah saya lakukan salah.”