Med hjälp av James Webb Space Telescope (JWST) har forskare från det kanadensiska NIRISS Unbiased Cluster Survey-teamet (CANUCS) identifierat de mest avlägsna klothopar som någonsin upptäckts. Dessa täta grupper av miljoner stjärnor kan vara reliker som innehåller de första och äldsta stjärnorna i universum.

Den tidiga analysen av Webbs First Deep Field-bild, som föreställer några av universums tidigaste galaxer, publiceras idag i The Astrofysiska journalbrev .

"JWST byggdes för att hitta de första stjärnorna och de första galaxerna och för att hjälpa oss att förstå ursprunget till komplexiteten i universum, såsom de kemiska elementen och livets byggstenar", säger Lamiya Mowla, Dunlap Fellow vid Dunlap Institute for Astronomy &Astrophysics vid University of Toronto och medförfattare till studien. "Denna upptäckt i Webbs First Deep Field ger redan en detaljerad titt på den tidigaste fasen av stjärnbildning, vilket bekräftar JWSTs otroliga kraft."

I den fint detaljerade Webbs First Deep Field-bilden nollställde forskarna vad de har kallat "The Sparkler galaxy", som är nio miljarder ljusår bort. Den här galaxen har fått sitt namn för de kompakta föremål som visas som små gulröda prickar som omger den, av forskarna kallade "gnistrar". Teamet ansåg att dessa gnistrar antingen kan vara unga hopar som aktivt bildar stjärnor – födda tre miljarder år efter Big Bang på toppen av stjärnbildningen – eller gamla klotformade hopar. Globulära hopar är gamla samlingar av stjärnor från en galaxs barndom och innehåller ledtrådar om dess tidigaste faser av bildning och tillväxt.

Utifrån sin första analys av 12 av dessa kompakta föremål, fastställde forskarna att fem av dem inte bara är klotformiga kluster utan bland de äldsta kända.

"Att titta på de första bilderna från JWST och upptäcka gamla klothopar runt avlägsna galaxer var ett otroligt ögonblick, ett som inte var möjligt med tidigare Hubble Space Telescope-bilder", säger Kartheik G. Iyer, Dunlap Fellow vid Dunlap Institute for Astronomy &Astrofysik vid University of Toronto och medförfattare till studien. "Eftersom vi kunde observera gnistren över ett antal våglängder, kunde vi modellera dem och bättre förstå deras fysiska egenskaper, som hur gamla de är och hur många stjärnor de innehåller. Vi hoppas att kunskapen om att klothopar kan observeras från så stora avstånd med JWST kommer att stimulera ytterligare vetenskap och sökningar efter liknande objekt."

Vintergatans galax har cirka 150 klothopar, och hur och när exakt dessa täta stjärnklumpar bildades är inte väl förstått. Astronomer vet att klothopar kan vara extremt gamla, men det är otroligt utmanande att mäta deras åldrar. Att använda mycket avlägsna klothopar för att åldersdatera de första stjärnorna i avlägsna galaxer har inte gjorts tidigare och är endast möjligt med JWST.

"Dessa nyligen identifierade hopar bildades nära första gången det ens var möjligt att bilda stjärnor", säger Mowla. "Eftersom Sparkler-galaxen är mycket längre bort än vår egen Vintergatan, är det lättare att bestämma åldrarna på dess klothopar. Vi observerar Sparkler som den var för nio miljarder år sedan, när universum bara var fyra och ett -en halv miljard år gammal, tittar på något som hände för länge sedan. Se det som att gissa en persons ålder baserat på deras utseende – det är lätt att se skillnad på en 5- och 10-åring, men svårt att säga skillnaden mellan en 50- och 55-åring."

Fram till nu har astronomer inte kunnat se de omgivande kompakta objekten i Sparkler-galaxen med Hubble Space Telescope (HST). Detta förändrades med JWST:s ökade upplösning och känslighet, och avslöjade de små prickarna som omger galaxen för första gången i Webbs First Deep Field-bild. Sparkler-galaxen är speciell eftersom den förstoras med en faktor 100 på grund av en effekt som kallas gravitationslinsning – där SMACS 0723-galaxhopen i förgrunden förvränger det som finns bakom det, ungefär som ett gigantiskt förstoringsglas. Dessutom producerar gravitationslinser tre separata bilder av Sparkler, vilket gör det möjligt för astronomer att studera galaxen mer i detalj.

"Vår studie av Sparkler belyser den enorma kraften i att kombinera JWSTs unika kapacitet med den naturliga förstoringen som ges av gravitationslinser", säger CANUCS-teamledare Chris Willott från National Research Councils Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre. "Teamet ser fram emot att fler upptäckter kommer när JWST riktar blickarna mot CANUCS galaxhopar nästa månad."

Forskarna kombinerade ny data från JWST:s Near-Infrared Camera (NIRCam) med HST-arkivdata. NIRCam upptäcker svaga föremål med längre och rödare våglängder för att observera förbi vad som är synligt för det mänskliga ögat och till och med HST. Både förstoringarna på grund av linsningen av galaxhopen och den höga upplösningen av JWST är det som gjorde det möjligt att observera kompakta objekt.

Det kanadensiskttillverkade instrumentet Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) på JWST gav en oberoende bekräftelse på att objekten är gamla klotformiga kluster eftersom forskarna inte observerade syreemissionslinjer - utsläpp med mätbara spektra som ges av unga kluster som är aktivt bildar stjärnor. NIRISS hjälpte också till att reda ut geometrin hos bilderna med tre linser av Sparkler.

"JWST:s kanada-tillverkade NIRISS-instrument var avgörande för att hjälpa oss att förstå hur de tre bilderna av Sparkler och dess klotformiga kluster hänger ihop", säger Marcin Sawicki, Canada Research Chair in Astronomy, professor vid Saint Mary's University och studiemedförfattare . "Att se flera av Sparklers klothopar avbildade tre gånger gjorde det klart att de kretsar runt Sparkler-galaxen snarare än att bara vara framför den av en slump."

JWST kommer att observera CANUCS-fälten med start i oktober 2022 och utnyttja JWST-data för att undersöka fem massiva galaxkluster, runt vilka forskarna förväntar sig att hitta fler sådana system. Framtida studier kommer också att modellera galaxhopen för att förstå linseffekten och utföra mer robusta analyser för att förklara stjärnbildningshistorien.

Samverkande institutioner inkluderar York University och institutioner i USA och Europa. Forskningen stöddes av Canadian Space Agency och Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. + Utforska vidare

Hubble fångar en stjärnklar scen