Джеймс Уэбб измеряет массы далеких галактик в 10 раз лучше, чем любой другой телескоп

12 июля 2022 года были выпущены первые изображения телескопа Джеймс Уэбб (JWST), которые представили наиболее подробные виды Вселенной. Вскоре после этого ученые обнаружили изображение самой старой из когда-либо наблюдаемых галактик (которая существовала всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва).

Согласно новому исследованию международной группы астрономов, JWST позволит получать точные измерения массы далеких галактик.

Используя данные камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), которые были предоставлены в рамках программы GLASS-JWST-Early Release Science (GLASS-ERT), команда ученых получила оценки массы некоторых далеких галактик, которые были во много раз точнее, чем предыдущие измерения. Их результаты показывают, как JWST изменит наше понимание того, как росли и развивались самые ранние галактики во Вселенной.

Как указывают астрономы в своем исследовании, звездная масса является одним из наиболее важных физических свойств (если не самым важным ) для понимания формирования и эволюции галактик. Она измеряет общее количество звезд в галактике, которые постоянно добавляются за счет преобразования газа и пыли в новые звезды. Следовательно, это самый прямой способ проследить рост галактики. Сравнивая наблюдения за самыми старыми галактиками во Вселенной (находящимися на расстоянии более 13 миллиардов световых лет), астрономы могут изучить, как развивались галактики.

К сожалению, получение точных измерений этих ранних галактик было постоянной проблемой для астрономов.

Как правило, астрономы проводят измерения отношения массы к свету (M/L) — когда свет, излучаемый галактикой, используется для оценки общей массы звезд внутри нее — вместо того, чтобы вычислять звездные массы для каждого источника. На сегодняшний день исследования, проведенные Хабблом самых далеких галактик — вроде GN-z11, сформировавшейся около 13,5 миллиардов лет назад, — ограничивались ультрафиолетовым (УФ) спектром.

Это связано с тем, что свет этих древних галактик испытывает значительное красное смещение к тому времени, когда достигает нас. Это означает, что по мере того, как свет проходит через пространство-время, его длина волны удлиняется из-за расширения вселенной, эффективно сдвигая его в сторону красного конца спектра. Для галактик, чье значение красного смещения равно семи или выше — на расстоянии 13,46 световых лет и более — большая часть света будет смещена в точку, где он виден только в инфракрасной части спектра.

Это означает, что нужны инфракрасные детекторы для измерения звездных масс галактик (свет, излучаемый основной массой их звезд, находится вне досягаемости космического телескопа Хаббла). Единственным инфракрасным телескопом, который был до появления JWST, был космический телескоп Spitzer, от которого отказались несколько лет назад.

Однако его 85-сантиметровое зеркало не сравнимо с 6,5-метровым зеркалом JWST. Большинство далеких галактик тоже были вне досягаемости Спитцера: из-за его ограниченной чувствительности и углового разрешения они не были обнаружены (или затронуты высоким уровнем шума) на его изображениях.

Более того, в предыдущих обзорах, вероятно, была пропущена большая часть галактик с естественно красным цветом, которые богаты пылью (которая затемняет свет) и слабы в УФ-спектре. Следовательно, предыдущие оценки плотности звездной массы космических звезд ранней Вселенной могли быть ошибочными в несколько раз раз. Но благодаря своему передовому набору инфракрасных инструментов и беспрецедентной чувствительности JWST готов открыть «новое окно»в изучении самых старых и самых слабых галактик во Вселенной.

В своем исследовании международная группа ученых опиралась на изображения, полученные NIRCam 28–29 июня 2022 года в рамках первого набора наблюдений. Затем они измерили звездную массу 21 отдаленной галактики (красное смещение которых варьировалось от 6,7 до 12,3), исследуя их УФ-излучение и оптический свет с красным смещением. Это позволило им избежать больших экстраполяций и неопределенностей прошлых исследований и повысило точность их измерений массы в 5-10 раз.

Такие результаты являются частью растущей коллекции научных исследований, основанных на самых ранних наблюдениях Джеймса Уэбба, которые показывают, насколько важной будет миссия. В этом случае возможность предложить более строгие оценки звездной массы в галактиках очень поможет астрономам, занимающимся изучением космоса в самых больших масштабах.

До сих пор Уэбб демонстрировал свои оптические возможности, делая самые четкие и подробные изображения, которые уже ведут к новым открытиям. Его спектрометры получили спектры далекой экзопланеты, демонстрируя, как это поможет в описании атмосфер экзопланет и определении того, действительно ли они «пригодны для жизни». Это последнее исследование показывает, что он также будет играть жизненно важную роль в определении характеристик самых ранних галактик во Вселенной, их эволюции и возможной роли темной материи и темной энергии.