Dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA cho thấy các thiên hà xa thứ hai và thứ tư từng quan sát được đã được phát hiện trong một vùng không gian được gọi là Cụm Pandora (Abell 2744). Một nhóm quốc tế do các nhà nghiên cứu của bang Pennsylvania dẫn đầu đã theo dõi các hình ảnh trường sâu của khu vực (xem hình ảnh bên dưới), sử dụng dữ liệu quang phổ mới từ JWST – thông tin về ánh sáng phát ra trên toàn bộ phổ điện từ – để xác nhận khoảng cách của các thiên hà cổ đại này và suy ra đặc tính của chúng.

Camera hồng ngoại gần (NIRCam) của Kính viễn vọng Không gian James Webb đã xác nhận các thiên hà xa thứ hai và thứ tư từng được phát hiện (UNCOVERz-13 và UNCOVERz-12). Những thiên hà này nằm trong cụm sao Pandora (Abell 2744), được hiển thị ở đây dưới dạng bước sóng ánh sáng cận hồng ngoại đã được chuyển đổi thành màu sắc khả kiến. Tỷ lệ của hình ảnh cụm chính được tính bằng cung giây, thước đo khoảng cách góc trên bầu trời. Các vòng tròn trên hình ảnh đen trắng hiển thị các thiên hà trong dải được lọc của NIRCam-F277W trên tàu JWST, biểu thị kích thước khẩu độ là 0,32 giây cung. Nguồn hình ảnh: Hình ảnh cụm: NASA, UNCOVER (Bezanson và cộng sự, DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Phần phụ: NASA, UNCOVER (Wang và cộng sự, 2 023) Tổng hợp: Dani Zemba/Đại học bang Pennsylvania

Cách đây gần 33 tỷ năm ánh sáng, những thứ này các thiên hà ở rất xa và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các thiên hà sớm nhất có thể hình thành. Các nhà nghiên cứu cho biết

Hình dáng và ý nghĩa độc đáo

Không giống như các thiên hà khác được xác nhận ở khoảng cách này, xuất hiện dưới dạng các chấm đỏ trong ảnh, các thiên hà mới lớn hơn và trông giống như một hạt đậu phộng và một quả bóng bông. Một bài báo mô tả các thiên hà này đã được xuất bản hôm nay (13/11) trên tạp chí Astrophysical Journal Letters.

Các nhà thiên văn học ước tính rằng có 50.000 nguồn ánh sáng cận hồng ngoại được thể hiện trong hình ảnh trường sâu này của cụm sao Pandora từ Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA. Ánh sáng của chúng truyền đi những khoảng cách khác nhau tới máy dò của kính thiên văn, thể hiện sự rộng lớn của không gian trong một hình ảnh duy nhất. Nguồn hình ảnh: Khoa học: NASA, ESA, CSA, IvoLabbe (Swinburne), Rachel Bezanson (Đại học Pittsburgh), Xử lý hình ảnh: Alyssa Pagan (STScI)

Tác giả đầu tiên, học giả sau tiến sĩ tại Đại học Khoa học Penn State Eberly, JWSTUNCOV, người chịu trách nhiệm cho nghiên cứu này "Chúng ta biết rất ít về vũ trụ sơ khai và chỉ thông qua những nơi rất xa xôi này Trước khi phân tích, chúng tôi chỉ biết về ba thiên hà được xác nhận ở khoảng cách cực xa này. Nghiên cứu về các thiên hà mới này và đặc tính của chúng cho thấy sự đa dạng của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai và có thể học được bao nhiêu từ chúng", Wang Bingjie, thành viên của nhóm ER (Extreme Deep Near-Infrared Explorer and Near-Infrared Imager Observations Before the Reionization Era) cho biết.

Cái nhìn sâu sắc về Vũ trụ sơ khai

Vì ánh sáng từ các thiên hà này phải mất một hành trình dài mới đến được Trái đất nên nó cho chúng ta một cánh cửa nhìn vào quá khứ. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng ánh sáng mà JWST phát hiện được phát ra từ hai thiên hà này khi vũ trụ khoảng 330 triệu năm tuổi và di chuyển khoảng 13,4 tỷ năm ánh sáng để tới JWST. Nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng do sự giãn nở của vũ trụ trong thời gian này, hai thiên hà hiện cách Trái đất gần hơn 33 tỷ năm ánh sáng.

Joel Leja, trợ lý giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại bang Pennsylvania và là thành viên của nhóm UNCOVER cho biết: “Ánh sáng từ những thiên hà này rất già, gấp khoảng ba lần tuổi Trái đất”. "Những thiên hà ban đầu này giống như đèn hiệu, ánh sáng của chúng truyền qua lớp khí hydro mỏng tạo nên vũ trụ sơ khai. Chỉ có ánh sáng truyền qua chúng. Với ánh sáng, chúng ta mới có thể bắt đầu hiểu được cơ chế vật lý kỳ lạ chi phối các thiên hà gần buổi bình minh của vũ trụ. "

Các nhà khoa học sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb đã phát hiện ra hai thiên hà xa xôi trong Cụm Pandora, cung cấp những hiểu biết mới về vũ trụ sơ khai. Những thiên hà này có kích thước và hình dáng độc đáo, thách thức sự hiểu biết của chúng ta về sự hình thành thiên hà trong vũ trụ non trẻ. Nguồn: NASA

Đáng chú ý, hai thiên hà này lớn hơn nhiều so với ba thiên hà trước đó ở khoảng cách cực xa này. Một cái có chiều ngang khoảng 2.000 năm ánh sáng, lớn hơn ít nhất sáu lần. Để so sánh, Dải Ngân hà có chiều dài khoảng 100.000 năm ánh sáng, nhưng Wang cho biết vũ trụ sơ khai được cho là rất nén, nên thật ngạc nhiên khi Dải Ngân hà lại lớn đến vậy. : "Các thiên hà được phát hiện trước đây ở những khoảng cách này là nguồn điểm - chúng xuất hiện dưới dạng một điểm trong hình ảnh của chúng ta. Nhưng một trong các thiên hà của chúng ta trông thon dài, gần giống như một hạt đậu, trong khi thiên hà kia trông giống như một quả bóng bông. Không rõ liệu sự khác biệt về kích thước này là do cách các ngôi sao hình thành hay điều gì xảy ra sau khi chúng được hình thành, nhưng sự đa dạng về đặc tính của thiên hà thực sự rất thú vị. Những thiên hà ban đầu này được cho là được hình thành từ những vật liệu giống nhau, nhưng chúng đã có dấu hiệu rất khác nhau."

Phương pháp nghiên cứu

Hai thiên hà này nằm trong số 60.000 nguồn sáng trong Cụm Pandora và được phát hiện trong một trong những bức ảnh trường sâu đầu tiên được JWST chụp vào năm 2022, năm đầu tiên hoạt động khoa học của nó. Vùng không gian này được chọn một phần vì nó nằm phía sau một số cụm thiên hà tạo ra hiệu ứng phóng đại tự nhiên gọi là thấu kính hấp dẫn. Lực hấp dẫn được tạo ra bởi tổng khối lượng của cụm làm biến dạng không gian xung quanh, tập trung và khuếch đại ánh sáng truyền qua gần đó và mang lại cái nhìn phóng đại về cụm thiên hà phía sau nó.

Chỉ trong vài tháng, nhóm UNCOVER đã thu hẹp 60.000 nguồn sáng xuống còn 700 thiên hà ứng cử viên cho nghiên cứu tiếp theo, 8 trong số đó họ tin rằng có thể là những thiên hà đầu tiên. Sau đó, JWST lại nhắm vào Cụm Pandora và ghi lại quang phổ của thiên hà ứng cử viên - một dấu vân tay mô tả chi tiết lượng ánh sáng phát ra ở mỗi bước sóng.

"Một số nhóm khác nhau đang sử dụng các phương pháp khác nhau để tìm ra những thiên hà cổ đại này, mỗi thiên hà đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng," Leja nói. "Việc chúng ta nhìn vào chiếc kính lúp khổng lồ này trong không gian mang lại cho chúng ta một cửa sổ có độ sâu đáng kinh ngạc, nhưng nó rất nhỏ, vì vậy chúng ta đang tung xúc xắc. Có một số ứng cử viên không thể kết luận được và ít nhất một trong số đó đã mắc sai lầm - đó là thứ gì đó gần hơn nhiều và bắt chước một thiên hà xa xôi. Nhưng chúng tôi đã gặp may và hai trong số đó hóa ra là những thiên hà cổ đại này. Thật không thể tin được. "

Thuộc tính và tác động

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng mô hình chi tiết để suy ra đặc tính của các thiên hà sơ khai này khi chúng phát ra ánh sáng do JWST phát hiện. Đúng như các nhà nghiên cứu dự đoán, hai thiên hà này còn trẻ, hầu như không có kim loại trong thành phần và đang phát triển nhanh chóng và tích cực hình thành các ngôi sao.

"Các nguyên tố sớm nhất được hình thành trong lõi của các ngôi sao sơ ​​khai thông qua quá trình hợp nhất," Leja nói. "Thật hợp lý khi những thiên hà sơ khai này không có các nguyên tố nặng như kim loại vì chúng là nhà máy đầu tiên tạo ra những nguyên tố nặng này. Tất nhiên, chúng phải là những thiên hà hình thành sao trẻ mới là những thiên hà đầu tiên, nhưng việc xác nhận những đặc tính này là nền tảng quan trọng cho các mô hình của chúng tôi. Thử nghiệm, giúp xác nhận toàn bộ mô hình của lý thuyết Vụ nổ lớn, "

Ngoài thấu kính hấp dẫn, Các thiết bị hồng ngoại mạnh mẽ của JWST sẽ có thể phát hiện các thiên hà xa hơn nếu chúng tồn tại.

"Chúng ta chỉ có một cửa sổ nhỏ trong khu vực này và chúng ta không quan sát được bất cứ thứ gì ngoài hai thiên hà này, bất chấp khả năng của JWST. Điều này có thể có nghĩa là các thiên hà không hình thành trước đó và chúng ta sẽ không tìm thấy các ngôi sao ở xa hơn. Điều đó cũng có nghĩa là chúng ta không đủ may mắn với cửa sổ nhỏ của mình. "

Điều này công việc này là kết quả của một đề xuất thành công với NASA về cách sử dụng JWST trong năm đầu tiên hoạt động khoa học. Trong ba chu kỳ gửi đầu tiên, NASA đã nhận được đề xuất nhiều hơn từ 4 đến 10 lần so với thời gian quan sát có sẵn của kính thiên văn và chỉ một phần nhỏ trong số đó có thể được chọn.

"Nhóm chúng tôi rất vui mừng và hơi ngạc nhiên khi đề xuất của chúng tôi được thông qua," Leja nói. "Nó liên quan đến sự phối hợp, vận hành thủ công nhanh và hướng kính thiên văn vào cùng một vật thể hai lần, điều này đòi hỏi rất cao đối với kính thiên văn năm đầu tiên. Thật căng thẳng vì chúng tôi chỉ có vài tháng để xác định các vật thể cần theo dõi. Nhưng JWST được xây dựng để tìm ra những thiên hà đầu tiên này và thật thú vị khi có thể thực hiện điều này ngay bây giờ."