Teleskop Luar Angkasa Webb menemukan galaksi yang menentang teori astronomi

Keberadaan galaksi terjauh kedua dan keempat yang pernah tercatat (UNCOVER z-13 dan UNCOVER z-12) telah dikonfirmasi menggunakan kamera inframerah dekat (NIRCam) milik James Webb Space Telescope. Galaksi-galaksi tersebut terletak di gugus Pandora (Abell 2744), dan ditampilkan di sini sebagai panjang gelombang cahaya inframerah-dekat yang diterjemahkan ke dalam warna cahaya tampak. Gambar cluster utama diskalakan dalam detik busur, yang merupakan ukuran jarak sudut di langit. Lingkaran pada gambar hitam-putih, yang menunjukkan galaksi dalam kisaran filter NIRCam-F277W pada Teleskop James Webb, menunjukkan ukuran aperture sebesar 0,32 detik busur. Sumber: Gambar cluster: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Sisipan: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Sintesis: Danny Ziemba/Penn State

Pengamatan selanjutnya di gugus Pandora mengkonfirmasi keberadaan galaksi terjauh kedua dan keempat yang pernah ada, lebih besar dari galaksi lain yang ditemukan pada jarak ekstrem tersebut.

Galaksi terjauh kedua dan keempat yang pernah ditemukan ditemukan di wilayah luar angkasa yang dikenal sebagai gugus Pandora, atau Abell 2744, menggunakan data dari… NASA‘S Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST). Dalam gambar lanjutan wilayah tersebut (lihat gambar di bawah), tim internasional yang dipimpin oleh peneliti Penn State mengkonfirmasi jarak galaksi-galaksi kuno ini dan menyimpulkan sifat-sifatnya menggunakan data spektroskopi baru – informasi tentang cahaya yang dipancarkan melintasi spektrum elektromagnetik – dari JWST. Sekitar 33 miliar tahun cahaya jauhnya, galaksi-galaksi yang sangat jauh ini memberikan gambaran tentang bagaimana galaksi pertama terbentuk.

Penampilan unik dan signifikansi

Tidak seperti galaksi lain yang dikonfirmasi pada jarak ini, yang muncul dalam gambar sebagai titik merah, galaksi baru ini lebih besar dan tampak seperti kacang dan bola berbulu, menurut para peneliti. Sebuah makalah yang menggambarkan galaksi muncul hari ini (13 November) di jurnal Surat Jurnal Astrofisika.

Para astronom memperkirakan ada 50.000 sumber cahaya inframerah dekat yang terwakili dalam gambar lapangan dalam cluster Pandora dari Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA. Cahayanya menempuh jarak yang berbeda-beda untuk mencapai detektor teleskop, mewakili luasnya ruang dalam satu gambar. Kredit: Sains: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (University of Pittsburgh), Pemrosesan gambar: Alyssa Pagan (STScI)

“Sangat sedikit yang diketahui tentang alam semesta awal, dan satu-satunya cara untuk mempelajari masa itu dan menguji teori kita tentang pembentukan galaksi dan pertumbuhan awal adalah melalui galaksi yang sangat jauh ini,” kata penulis pertama Bingyi Wang, peneliti pascadoktoral di Universitas pennsylvania. Eberly State College of Science dan anggota Tim JWST UNCOVER (Pengamatan Ultradeep NIRSpec dan NIRCam sebelum era reionisasi) yang melakukan penelitian tersebut. “Sebelum analisis kami, kami hanya mengetahui tiga galaksi yang dikonfirmasi berada pada jarak ekstrem ini. Mempelajari galaksi-galaksi baru ini dan sifat-sifatnya telah mengungkap keragaman galaksi di alam semesta awal dan seberapa banyak yang dapat dipelajari dari galaksi-galaksi tersebut.”

Wawasan tentang alam semesta awal

Karena cahaya dari galaksi-galaksi ini harus menempuh perjalanan jauh untuk mencapai Bumi, hal ini memberikan sebuah jendela ke masa lalu. Tim peneliti memperkirakan bahwa cahaya yang ditemukan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb dipancarkan dari dua galaksi tersebut ketika alam semesta berusia sekitar 330 juta tahun, dan menempuh perjalanan sekitar 13,4 miliar tahun cahaya untuk mencapai Teleskop Luar Angkasa James Webb. Namun para peneliti mengatakan bahwa galaksi-galaksi tersebut saat ini berada lebih dekat dengan 33 miliar tahun cahaya dari Bumi karena perluasan alam semesta selama periode tersebut.

“Cahaya dari galaksi-galaksi ini kuno, sekitar tiga kali lebih tua dari Bumi,” kata Joel Lyja, asisten profesor astronomi dan astrofisika di Penn State dan anggota UNCOVER. “Galaksi-galaksi awal ini seperti mercusuar, cahaya yang menerobos gas hidrogen yang sangat tipis yang membentuk alam semesta awal. Hanya melalui cahaya mereka kita dapat mulai memahami fisika aneh yang mengatur galaksi menjelang fajar kosmik.”

Dengan menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb, para ilmuwan telah menemukan dua galaksi jauh di gugus Pandora, memberikan wawasan baru tentang awal alam semesta. Galaksi-galaksi ini, dengan ukuran dan penampilan yang unik, menantang pemahaman kita tentang pembentukan galaksi di awal alam semesta. Kredit: NASA

Perlu dicatat bahwa kedua galaksi tersebut jauh lebih besar daripada tiga galaksi yang ada sebelumnya pada jarak yang sangat jauh tersebut. Salah satunya berukuran setidaknya enam kali lebih besar dan lebarnya sekitar 2.000 tahun cahaya. Untuk perbandingan, Bima Sakti Galaksi ini berukuran sekitar 100.000 tahun cahaya, namun Wang yakin alam semesta awal sangat kompak, sehingga mengejutkan jika galaksi tersebut bisa sebesar itu.

“Galaksi-galaksi yang sebelumnya ditemukan pada jarak ini adalah sumber titik. Mereka muncul sebagai sebuah titik dalam gambar kami,” kata Wang. “Tetapi salah satu bintang kita terlihat memanjang, hampir seperti kacang, dan yang lainnya tampak seperti bola tipis. Tidak jelas apakah perbedaan ukuran ini disebabkan oleh bagaimana bintang-bintang terbentuk atau apa yang terjadi pada bintang-bintang tersebut setelah terbentuk, namun keragaman dalam Sifat-sifat galaksi sungguh menarik. Galaksi-galaksi awal ini diperkirakan terbentuk dari bahan serupa, namun mereka sudah menunjukkan tanda-tanda sangat berbeda satu sama lain.

Metodologi Penelitian

Kedua galaksi tersebut termasuk di antara 60.000 sumber cahaya di gugus Pandora yang ditemukan dalam salah satu gambar deep-field pertama yang diambil oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb pada tahun 2022, tahun pertama operasi sains. Wilayah ruang angkasa ini dipilih karena terletak di belakang banyak gugus galaksi yang menciptakan efek pembesaran alami yang disebut pelensaan gravitasi. Gaya gravitasi dari gabungan massa cluster mendistorsi ruang di sekitarnya, memfokuskan dan memperkuat cahaya apa pun yang lewat di dekatnya dan memberikan pandangan yang lebih besar ke belakang cluster.

Dalam beberapa bulan, tim UNCOVER mempersempit 60.000 sumber cahaya menjadi 700 kandidat untuk studi lanjutan, delapan di antaranya mereka yakini merupakan galaksi pertama. Kemudian, Teleskop Luar Angkasa James Webb kembali menunjuk ke gugus Pandora, merekam spektrum kandidat, semacam sidik jari yang merinci jumlah cahaya yang dipancarkan pada setiap panjang gelombang.

“Beberapa tim berbeda menggunakan metode berbeda untuk mencari galaksi kuno ini, masing-masing memiliki kekuatan dan kelemahannya sendiri,” kata Leija. “Fakta bahwa kita mengarahkan kaca pembesar raksasa ini ke luar angkasa memberi kita sebuah jendela yang sangat dalam, namun jendelanya sangat kecil sehingga kita melempar dadu. Banyak kandidat yang tidak meyakinkan, dan setidaknya salah satu dari mereka adalah sebuah kasus salah identitas. Itu adalah sesuatu yang jauh lebih dekat.” “Ini mensimulasikan galaksi yang jauh. Tapi kami beruntung, dan dua di antaranya ternyata adalah galaksi kuno. Sungguh luar biasa.”

Properti dan efek

Para peneliti juga menggunakan model terperinci untuk menyimpulkan sifat-sifat galaksi awal ini ketika mereka memancarkan cahaya yang terdeteksi oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Seperti yang diperkirakan para peneliti, kedua galaksi tersebut masih muda, memiliki sedikit logam dalam komposisinya, berkembang pesat, dan aktif membentuk bintang.

“Unsur pertama terbentuk di inti bintang awal melalui proses fusi,” kata Lyja. “Masuk akal bahwa galaksi-galaksi awal ini tidak memiliki unsur-unsur berat seperti logam karena mereka termasuk pabrik pertama yang membuat unsur-unsur berat tersebut. Tentu saja, mereka harus berusia muda dan membentuk bintang-bintang untuk menjadi galaksi pertama, namun menegaskan sifat-sifat ini merupakan ujian mendasar yang penting bagi model kita dan membantu dalam mengkonfirmasi model galaksi secara lengkap. ledakan besar itu teori.”

Dikombinasikan dengan pelensaan gravitasi, instrumen inframerah James Webb Space Telescope yang kuat seharusnya mampu mendeteksi galaksi pada jarak yang lebih jauh, jika memang ada, kata para peneliti.

“Kami memiliki jendela yang sangat kecil ke wilayah ini, dan kami tidak mengamati apa pun di luar kedua galaksi ini, meskipun Teleskop Luar Angkasa James Webb memiliki kemampuan tersebut,” kata Leja. “Ini mungkin berarti bahwa galaksi-galaksi belum terbentuk sebelum masa itu, dan kita tidak akan menemukan apa pun di tempat yang lebih jauh. Atau mungkin juga berarti bahwa kita tidak cukup beruntung karena jendela kita yang kecil.”

Pekerjaan ini adalah hasil dari proposal yang berhasil diajukan ke NASA yang mengusulkan bagaimana Teleskop Luar Angkasa James Webb dapat digunakan selama tahun pertama operasi sainsnya. Dalam tiga putaran pertama pengajuan, NASA menerima proposal empat hingga sepuluh kali lebih banyak daripada waktu pengamatan yang tersedia melalui teleskop, dan hanya harus memilih sebagian dari proposal tersebut.

“Tim kami sangat bersemangat dan sedikit terkejut ketika proposal kami diterima,” kata Leija. “Ini melibatkan koordinasi, tindakan cepat manusia, dan mengarahkan teleskop ke objek yang sama dua kali, yang merupakan tuntutan besar bagi teleskop di tahun pertamanya. Ada banyak tekanan karena kami hanya punya waktu beberapa bulan untuk memutuskan hal-hal apa yang harus dilakukan.” Tapi Teleskop Luar Angkasa James Webb telah diciptakan dan berupaya menemukan galaksi-galaksi pertama ini, dan sangat menarik untuk melakukannya sekarang.

Referensi: “Deteksi: Menjelaskan Alam Semesta Awal — Konfirmasi JWST/NIRSpec dari Galaksi z>12” oleh Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Osch, Sedona H. Harga, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Hijau, Y. Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker dan Christina C. Williams, 13 November 2023, Surat Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Selain Penn State, tim tersebut juga terdiri dari peneliti dari Universitas Texas di Austin, Universitas Teknologi Swinburne di Australia, Universitas Ben Gurion di Negev di Israel, dan Universitas Ben Gurion di Negev di Israel. Universitas YaleUniversitas Pittsburgh, Universitas Sorbonne di Perancis, Universitas Kopenhagen di Denmark, Universitas Jenewa di Swiss, Universitas Massachusetts, Universitas Groningen di Belanda, Universitas PrincetonUniversitas Waseda di Jepang, Universitas Tufts, dan Laboratorium Nasional Penelitian Astronomi Optik dan Inframerah (NOIR).

Pekerjaan ini didukung oleh NASA, US-Israel Bi-Science Foundation, US National Science Foundation, Kementerian Sains dan Teknologi Israel, Pusat Studi Luar Angkasa Nasional Perancis, Institut Geosains dan Astronomi Nasional Perancis, dan Lembaga Penelitian Tengah. Yayasan Kemajuan Ilmu Pengetahuan, Dewan Riset Belanda, Komisi Eropa dan Universitas Groningen dalam pendanaan bersama Program Rosalind Franklin, Observatorium Astronomi Nasional Jepang, dan Laboratorium NOIR.