Ett internationellt team av astronomer tillkännagav idag upptäckten av de två tidigaste och mest avlägsna galaxer som någonsin setts, som går tillbaka till endast 300 miljoner år efter Big Bang. Dessa resultat, med hjälp av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST), markerar en viktig milstolpe i studiet av det tidiga universum.
Upptäcktena gjordes av JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-teamet. Daniel Eisenstein från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) är en av teamledarna för JADES och huvudutredare för observationsprogrammet som avslöjade dessa galaxer. Ben Johnson och Phillip Cargile, båda forskare vid CfA, och Zihao Wu, en Harvard Ph.D. student vid CfA, spelade också viktiga roller.
På grund av universums expansion sträcker sig ljuset från avlägsna galaxer till längre våglängder när det färdas. Denna effekt är så extrem för dessa två galaxer att deras ultravioletta ljus skiftas till infraröda våglängder där bara JWST kan se det. Eftersom ljus tar tid att resa, ses också mer avlägsna galaxer som de var tidigare.
De två rekordstora galaxerna kallas JADES-GS-z14-0 och JADES-GS-z14-1, den förra är den mer avlägsna av de två. Förutom att vara den nya distansrekordhållaren är JADES-GS-z14-0 anmärkningsvärd för hur stor och ljus den är.
"Storleken på galaxen bevisar tydligt att det mesta av ljuset produceras av ett stort antal unga stjärnor", sa Eisenstein, professor vid Harvard och ordförande för astronomiavdelningen, "snarare än att material faller på ett supermassivt svart hål i galaxens centrum, vilket skulle verka mycket mindre."
Kombinationen av den extrema ljusstyrkan och det faktum att unga stjärnor ger bränsle till denna höga ljusstyrka gör JADES-GS-z14-0 till det mest slående beviset som hittills hittats för den snabba bildandet av stora, massiva galaxer i det tidiga universum.
"JADES-GS-z14-0 blir nu arketypen för detta fenomen", säger Dr Stefano Carniani från Scuola Normale Superiore i Pisa, huvudförfattare på upptäcktspapperet. "Det är fantastiskt att universum kan skapa en sådan galax på bara 300 miljoner år."
Bevis för överraskande kraftfulla tidiga galaxer dök upp även i de första JWST-bilderna och har ökat under de två första åren av uppdraget. Denna trend strider mot förväntningarna som de flesta astronomer hade innan lanseringen av JWST av teorier om galaxbildning.
JADES-GS-z14-0 var ett pussel för JADES-teamet när de först såg det för över ett år sedan, eftersom det verkar tillräckligt nära på himlen till en förgrundsgalax för att teamet inte kunde vara säkra på att de två inte var grannar. Men i oktober 2023 genomförde JADES-teamet ännu djupare avbildning – fem hela dagar med JWST Near-Infrared Camera på bara ett fält – och använde filter utformade för att bättre isolera de tidigaste galaxerna.
"Vi kunde helt enkelt inte se något rimligt sätt att förklara denna galax som bara en granne till den mer närliggande galaxen", säger Dr. Kevin Hainline, forskningsprofessor vid University of Arizona.
Galaxen ligger i ett fält där JWST Mid-Infrared Instrument hade utfört en ultradjup observation. Dess ljusstyrka vid mellanliggande infraröda våglängder är ett tecken på utsläpp från väte och till och med syreatomer i det tidiga universum.
"Trots att den är så ung arbetar galaxen redan hårt på att skapa de element som är bekanta för oss på jorden," sa Zihao Wu, en medförfattare på en andra uppsats om detta fynd, ledd av Jakob Helton, en doktorand vid universitetet från Arizona.
Uppmuntrat fick teamet sedan ett spektrum av varje galax och bekräftade sina förhoppningar om att JADES-GS-z14-0 verkligen var en rekordstor galax och att den svagare kandidaten, JADES-GS-z14-1, var nästan lika långt borta .
En tredje artikel ledd av Brant Robertson, professor vid University of California-Santa Cruz, och Ben Johnson, studerar utvecklingen av denna tidiga population av galaxer.
"Det här fantastiska objektet visar att galaxbildningen i det tidiga universum är mycket snabb och intensiv", sa Johnson, "och JWST kommer att tillåta oss att hitta fler av dessa galaxer, kanske när universum var ännu yngre. Det är en fantastisk möjlighet att studera hur galaxer kommer igång."
Alla tre tidningarna är för närvarande tillgängliga på arXiv förtrycksserver.
