Duizenden sterrenstelsels overspoelen dit nabij-infrarood, hoge resolutie beeld van sterrenstelselcluster SMACS 0723. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI
Een team van astronomen gebruikte de James Webb-telescoop (JWST) om de verste sterren te identificeren bolvormige sterrenhopen ooit ontdekt. Deze dichte groepen van miljoenen sterren kunnen relikwieën zijn die de eerste en oudste sterren in het universum bevatten.
De vroege analyse van Webb’s eerste Deep Field-opname, die enkele van de vroegste sterrenstelsels in het universum weergeeft, is onlangs gepubliceerd in De Astrophysical Journal Letters. Het werk werd uitgevoerd door een team van Canadese astronomen, waaronder experts van het Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics van de Faculteit der Kunsten en Wetenschappen van de Universiteit van Toronto.
« JWST is gebouwd om de eerste sterren en de eerste sterrenstelsels te vinden en om ons te helpen de oorsprong van complexiteit in het universum te begrijpen, zoals de chemische elementen en de bouwstenen van het leven », zegt Lamiya Mowla, een postdoctoraal onderzoeker aan de Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics en co-hoofdauteur van de studie, die werd uitgevoerd door het Canadese NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS)-team.
« Deze ontdekking in Webb’s First Deep Field biedt al een gedetailleerd beeld van de vroegste fase van stervorming, wat de ongelooflijke kracht van JWST bevestigt. »
De onderzoekers bestudeerden het Sparkler-stelsel in Webb’s First Deep Field en gebruikten JWST om vast te stellen dat vijf van de sprankelende objecten eromheen bolvormige sterrenhopen zijn. Krediet: Afbeelding via Canadian Space Agency met afbeeldingen van NASA, ESA, CSA, STScI; Mowla, Iyer et al. 2022
In de fijn gedetailleerde Webb’s First Deep Field-afbeelding richtten de astronomen zich snel op wat ze ‘het Sparkler-stelsel’ hebben genoemd. Dit sterrenstelsel, negen miljard lichtjaar verwijderd, dankt zijn naam aan de compacte objecten die verschijnen als kleine geel-rode stippen eromheen, door de onderzoekers aangeduid als « schitteringen ». Het onderzoeksteam stelde vast dat deze schitteringen ofwel jonge sterrenhopen kunnen zijn die actief sterren vormen – drie miljard jaar na de Oerknal op het hoogtepunt van stervorming – of oude bolvormige sterrenhopen. Bolvormige sterrenhopen zijn oude verzamelingen sterren uit de kindertijd van een melkwegstelsel en bevatten aanwijzingen over de vroegste fasen van vorming en groei.
Uit een eerste analyse van 12 van deze compacte objecten stelde het onderzoeksteam vast dat vijf daarvan niet alleen bolvormige sterrenhopen zijn, maar ook behoren tot de oudste bekende.
« Het was een ongelooflijk moment om naar de eerste beelden van JWST te kijken en oude bolhopen rond verre sterrenstelsels te ontdekken – een moment dat niet mogelijk was met eerdere Hubble Space Telescope imaging », zegt Kartheik G. Iyer, een postdoctoraal onderzoeker aan het Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics en co-lead auteur van de studie.
« Omdat we de schitteringen over een reeks golflengten konden waarnemen, konden we ze modelleren en hun fysieke eigenschappen beter begrijpen, zoals hoe oud ze zijn en hoeveel sterren ze bevatten. We hopen dat de wetenschap dat bolvormige sterrenhopen vanaf zulke grote afstanden kunnen worden waargenomen met JWST, verdere wetenschap en zoektochten naar soortgelijke objecten zal stimuleren.”
Zwaartekrachtlenzen worden door astronomen gebruikt om zeer verre en zeer zwakke sterrenstelsels te bestuderen. Credits: NASA, ESA & L. Calçada
De Het is bekend dat het Melkwegstelsel ongeveer 150 bolvormige sterrenhopen heeft, maar hoe en wanneer deze dichte clusters van sterren precies zijn gevormd, is niet goed begrepen. Astronomen weten dat bolvormige sterrenhopen extreem oud kunnen zijn, maar het is ongelooflijk moeilijk om hun leeftijd te meten. Het gebruik van zeer verre bolvormige sterrenhopen om de eerste sterren in verre sterrenstelsels te dateren is nog niet eerder gedaan en is alleen mogelijk met JWST.
« Deze nieuw geïdentificeerde clusters werden gevormd vlak bij de eerste keer dat het zelfs maar mogelijk was om sterren te vormen », zegt Mowla. “Omdat het Sparkler-stelsel veel verder weg is dan onze eigen Melkweg, is het gemakkelijker om de ouderdom van zijn bolvormige sterrenhopen te bepalen. We observeren de Sparkler zoals hij er negen miljard jaar geleden uitzag, toen het universum nog maar vier en een half miljard jaar oud was, kijkend naar iets dat lang geleden gebeurde. Zie het als het raden van iemands leeftijd op basis van hun uiterlijk – het is gemakkelijk om het verschil te zien tussen een vijf- en tienjarige, maar moeilijk om het verschil te zien tussen een 50- en 55-jarige. »
Tot nu toe konden astronomen de omringende compacte objecten van het Sparkler-stelsel niet zien met de Hubble-ruimtetelescoop. Dit veranderde met de verhoogde resolutie en gevoeligheid van JWST, waardoor de kleine puntjes rond het sterrenstelsel voor het eerst werden onthuld in Webb’s First Deep Field-afbeelding. Het Sparkler-sterrenstelsel is speciaal omdat het met een factor 100 wordt vergroot vanwege een effect dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd – waarbij de SMACS 0723-cluster van sterrenstelsels op de voorgrond vervormt wat erachter zit, net als een gigantisch vergrootglas. Bovendien produceert zwaartekrachtlensing drie afzonderlijke afbeeldingen van de Sparkler, waardoor astronomen de melkweg in meer detail kunnen bestuderen.
Van links: Kartheik Iyer, Vince Estrada-Carpenter, Guillaume Desperez, Lamiya Mowla, Marcin Sawicki, Victoria Strait, Gabe Brammer en Kate Gould (op laptopscherm), Ghassan Sarrouh, Chris Willott, Bob Abraham, Gael Noirot, Yoshi Asada, Nick Martis, Credit: met dank aan Lamiya Mowla en Kartheik Iyer
« Onze studie van de Sparkler benadrukt de enorme kracht in het combineren van de unieke mogelijkheden van JWST met de natuurlijke vergroting die wordt geboden door zwaartekrachtlenzen », zegt CANUCS-teamleider Chris Willott van het Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre van de National Research Council. « Het team is enthousiast over meer ontdekkingen wanneer JWST volgende maand zijn aandacht richt op de CANUCS-clusters van sterrenstelsels. »
De onderzoekers combineerden nieuwe gegevens van JWST’s Near-Infrared Camera (NIRCam) met archiefgegevens van de Hubble Scape Telescope. NIRCam detecteert zwakke objecten met behulp van langere en rodere golflengten om verder te kijken dan wat zichtbaar is voor het menselijk oog en zelfs de Hubble-ruimtetelescoop. Zowel vergrotingen als gevolg van de lenswerking door de melkwegcluster als de hoge resolutie van JWST hebben het observeren van compacte objecten mogelijk gemaakt.
De in Canada gemaakte Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS)-instrument op de JWST leverde onafhankelijke bevestiging dat de objecten oude bolvormige sterrenhopen zijn, omdat de onderzoekers geen zuurstofemissielijnen hebben waargenomen – emissies met meetbare spectra die worden afgegeven door jonge clusters die actief zijn sterren vormen. NIRISS hielp ook bij het ontrafelen van de geometrie van de beelden met drie lenzen van de Sparkler.
« Het in Canada gemaakte NIRISS-instrument van JWST was essentieel om ons te helpen begrijpen hoe de drie afbeeldingen van de Sparkler en zijn bolvormige sterrenhopen met elkaar verbonden zijn », zegt Marcin Sawicki, een professor aan Saint. Mary’s University, Canada Research Chair in Astronomy en co-auteur van de studie. « Toen ik verschillende van de bolvormige sterrenhopen van de Sparkler drie keer in beeld zag, werd duidelijk dat ze in een baan om de Sparkler-melkweg draaien in plaats van er gewoon toevallig voor te staan. »
JWST zal de CANUCS-velden vanaf oktober 2022 observeren en zijn gegevens gebruiken om vijf enorme clusters van sterrenstelsels te onderzoeken, waaromheen de onderzoekers verwachten meer van dergelijke systemen te vinden. Toekomstige studies zullen ook de melkwegcluster modelleren om het lenseffect te begrijpen en meer robuuste analyses uit te voeren om de geschiedenis van stervorming te verklaren.
Referentie: « The Sparkler: Evolved High-redshift Bolular Cluster Candidates Captured by JWST » door Lamiya Mowla, Kartheik G. Iyer, Guillaume Desprez, Vicente Estrada-Carpenter, Nicholas S. Martis, Gael Noirot, Ghassan T. Sarrouh, Victoria Strait; Yoshihisa Asada, Robert G. Abraham, Gabriel Brammer, Marcin Sawicki, Chris J. Willott, Marusa Bradac, Rene Doyon, Adam Muzzin, Camilla Pacifici, Swara Ravindranath en Johannes Zabl, 29 september De Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac90ca
Tot de samenwerkende instellingen behoren York University en instellingen in de Verenigde Staten en Europa. Het onderzoek werd ondersteund door de Canadian Space Agency en de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada.
