Hoe James Webb Space Telescope-gegevens al verrassingen hebben onthuld

Massimo Pascale was niet van plan om de melkwegcluster SMACS 0723 te bestuderen. Maar zodra hij de cluster zag glinsteren in de eerste afbeelding van de James Webb Space Telescope, of JWST, konden hij en zijn collega’s er niets aan doen.

“We hadden zoiets van, we moeten iets doen”, zegt Pascale, een astronoom aan de University of California, Berkeley. “We kunnen het niet laten om deze gegevens te analyseren. Het was zo spannend.”

Het team van Pascale is een van de vele groepen wetenschappers die de eerste JWST-beelden zagen en meteen de mouwen opstroopten. In de eerste paar dagen nadat beelden en de gegevens die werden gebruikt om ze te maken openbaar waren gemaakt, hebben wetenschappers de hoeveelheid massa geschat die de cluster bevat, een gewelddadig incident in het recente verleden van de cluster aan het licht gebracht en de leeftijd van de sterren in sterrenstelsels ver buiten de zelf clusteren.

“We hebben ons hier al lang op voorbereid. Zelf ben ik me al jaren aan het voorbereiden en ik ben nog niet zo oud”, zegt Pascale, die in zijn vierde jaar van de graduate school zit. JWST “gaat echt een nieuwe generatie astronomen definiëren en een nieuwe generatie wetenschap als geheel.”

Clusterbotsing

Toen de afbeelding van SMACS 0723 werd vrijgegeven tijdens een briefing van het Witte Huis op 11 juli, ging de meeste aandacht naar extreem verre sterrenstelsels op de achtergrond (SN: 7/11/22). Maar pal in het midden van de afbeelding bevindt zich SMACS 0723 zelf, een veel dichterbij gelegen cluster van sterrenstelsels op ongeveer 4,6 miljard lichtjaar van de aarde. Zijn massa buigt licht van nog verder weg, waardoor verder weg gelegen objecten vergroot lijken, alsof hun licht door de lens van een andere kosmische telescoop is gereisd.

Het licht van het verste sterrenstelsel in deze afbeelding begon zijn reis naar JWST ongeveer 13,3 miljard jaar geleden – “bijna aan het begin van het universum”, zegt astrofysicus Guillaume Mahler van de Durham University in Engeland, die de afbeelding al gebruikt als zijn Zoom achtergrond.

Maar de afbeelding kan ook de geschiedenis van de tussenliggende cluster van sterrenstelsels zelf invullen. “Mensen vergeten dat soms – het cluster van sterrenstelsels is ook erg belangrijk”, zegt Pascale.

De teams van Pascale en Mahler begonnen elk met het inventariseren van de verre sterrenstelsels die in het beeld uitgerekt en vervormd lijken. Het licht van sommige van die sterrenstelsels is zodanig vervormd dat meerdere afbeeldingen van hetzelfde sterrenstelsel op verschillende plaatsen verschijnen. Het in kaart brengen van die meervoudig afgebeelde sterrenstelsels is een gevoelige sonde van de manier waarop massa rond het cluster wordt verspreid. Dat kan op zijn beurt onthullen waar het cluster donkere materie bevat, de onzichtbare, mysterieuze substantie die het grootste deel van de massa in het universum vormt (SN: 9/10/20).

Beide teams ontdekten dat SMACS 0723 meer langwerpig is dan in eerdere waarnemingen leek. Ze vonden ook een zwakke gloed, intraclusterlicht genaamd, in de cluster van sterren die niet tot een bepaald sterrenstelsel behoren. Samen suggereren deze kenmerken dat: SMACS 0723 is nog steeds aan het herstellen van een relatief recente ineenstorting met een ander cluster van sterrenstelsels, rapporteren de teams afzonderlijk in een paar documenten die op 14 juli bij arXiv.org zijn ingediend.

Een cluster van sterrenstelsels dat al eeuwen op zichzelf staat, zou een rondere verdeling van materie en intraclusterlicht moeten hebben, in plaats van de langwerpige vorm van SMACS 0723. De sterren die het intraclusterlicht uitstralen, zijn tijdens de botsing waarschijnlijk door de zwaartekracht uit hun eigen sterrenstelsels gerukt.

“Twee afzonderlijke clusters zijn samengesmolten en het ziet er naar uit dat het nog niet helemaal geregeld is”, zegt Pascale. “Waar we naar zouden kunnen kijken, is een aan de gang zijnde fusie.”

Verre sterrenstelsels

Het in kaart brengen van de massa in de cluster is ook essentieel voor het decoderen van de eigenschappen van de verder weg gelegen sterrenstelsels op de achtergrond van de afbeelding, zegt Mahler. “Je moet het cluster en zijn vergrotingskracht begrijpen om te begrijpen wat erachter zit.”

Sommige wetenschappers onderzoeken die verre sterrenstelsels al in detail. De eerste JWST-gegevens bevatten niet alleen mooie foto’s, maar ook spectra, metingen van hoeveel licht een object op verschillende golflengten uitstraalt. Met Spectra kunnen wetenschappers bepalen hoeveel het licht van een ver object is uitgerekt – of roodverschoven – door de uitdijing van het universum, wat een proxy is voor zijn afstand. Dergelijke gegevens kunnen ook helpen bij het onthullen van de samenstelling van een melkwegstelsel en de leeftijden van zijn sterren.

“Het belangrijkste dat de studie van stervorming in sterrenstelsels beperkt, is de kwaliteit van de gegevens”, zegt astrofysicus Adam Carnall van de Universiteit van Edinburgh. Maar met de sterk verbeterde gegevens van JWST, zegt hij, konden hij en zijn team de leeftijden van sterren in die afgelegen sterrenstelsels meten.

Carnall en collega’s richtten hun aandacht slechts een paar dagen nadat de SMACS-afbeelding was vrijgegeven op de spectra van de verre sterrenstelsels. Ze maten de roodverschuiving van 10 sterrenstelsels, waarvan vijf waren bijzonder ver weg, meldt het team in een paper dat op 18 juli is ingediend bij arXiv.org. Een ervan was al gemarkeerd als het meest verre sterrenstelsel ooit gezien, met licht dat slechts 500 miljoen jaar na de oerknal 13,8 miljard jaar geleden werd uitgezonden. De andere vier schenen pas 1,1 miljard jaar na de oerknal.

Alle 10 sterrenstelsels waren relatief jong toen ze het door JWST vastgelegde licht uitstraalden, zegt Carnall. Ze hadden allemaal een paar miljoen jaar eerder hun stervorming aangezet. Dat is niet zo verwonderlijk, maar wel interessant.

“Het vermogen om naar deze kleine, zwakke sterrenstelsels te kijken … geeft je een idee van hoe alle sterrenstelsels eruit moeten zien wanneer ze sterren beginnen te vormen”, zegt Carnall.

Wetenschappers hopen met JWST de eerste stervorming ooit te vinden. Andere vroege resultaten suggereren dat ze al dichtbij komen.

Sommige sterrenstelsels in een JWST-afbeelding van een ander cluster kan luisteren van een nog vroegere tijdal 300 miljoen jaar na de oerknal, rapporteren twee onderzoeksteams in een paar artikelen die op 19 juli zijn ingediend bij arXiv.org. Een van die sterrenstelsels lijkt al een spiraalvormige schijf te hebben opgebouwd, ongeveer een miljard keer de massa van de zon, die verrassend volwassen is voor zo’n vroeg sterrenstelsel.

En een telling van sterrenstelsels gezien in de SMACS 0723-afbeelding suggereert dat: sterrenstelsels met volwassen schijvenin plaats van ongeorganiseerde klodders of die voornamelijk uit donkere materie bestaan, kwamen misschien vaker voor in het zeer vroege universum dan eerder werd gedacht, meldt een ander team in een arXiv.org-paper die op 19 juli is ingediend. Dat betekent dat die vroege schijven mogelijk geen uitschieters zijn .

“Zeker, deze sterrenstelsels zijn een groot probleem, maar het valt nog te bezien hoe opwindend ze eruit zullen zien in de context van een paar maanden vooruitgang met JWST”, zegt Carnall. Het beste moet nog komen.