O trabalho de James Webb sobre reionização e o efeito de lente

Questões Essenciais em Astronomia

Depois do Big Bang, o universo começou, e depois de um longo período de escuridão, as primeiras estrelas finalmente nasceram no universo. A radiação ultravioleta das primeiras estrelas e das galáxias que elas formaram foi tão intensa que começou a reionizar todos os átomos ao seu redor, aquecendo dramaticamente o universo. Isso é chamado de “reionização” do universo, e o período desde o início da formação estelar até o fim da reionização é chamado de “amanhecer do universo”. Estima-se que esse período durou cerca de um bilhão de anos. O problema é que ainda não sabemos exatamente quando as estrelas se formaram.

“Quando o universo começou?” “,” Quando as estrelas apareceram? De onde vieram as estrelas e como as galáxias começaram a se formar? … Essas questões são muito importantes para entender a origem das estrelas. É também um dos muitos mistérios não resolvidos da astronomia e é um tópico particularmente popular entre os físicos teóricos.

A equipe PEARLS está estudando reionização extragaláctica e lentes

Embora nem todos os estudos astronômicos sejam conduzidos no mesmo processo, a pesquisa astronômica sobre fenômenos celestes que ainda não foram observados avança hipóteses sobre fenômenos celestes, estabelece teorias que podem explicar os fenômenos acima e verifica por meio da observação. As previsões teóricas da maioria dos fenômenos celestes já estão em andamento. Claro, esta é apenas uma previsão teórica e deve ser verificada cientificamente antes de ser aceita como um fato astronômico.

É impossível observar todos os corpos celestes e fenômenos astronômicos do universo, cujo tamanho não é conhecido atualmente. Também é um grande problema que requer muito capital. Por esta razão, muitos astrônomos observam fenômenos teóricos através de simulação (modelagem). Esta pode ser uma ferramenta cientificamente válida para amostragem de observações reais e pode fornecer uma boa razão pela qual os observadores devem ficar de olho no orbe acima.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Michael Norman, do San Diego Supercomputing Center, conduziu recentemente um estudo de simulação baseado em previsões teóricas de reionização cósmica. De acordo com os resultados da equipe de pesquisa, nuvens moleculares de hidrogênio e hélio se fundiram e colapsaram pela gravidade para formar uma estrela massiva centenas de vezes mais pesada que o sol, e elementos pesados ​​como lítio e berílio foram criados pela primeira vez no primeiro núcleo estelar acima. . Como a estrela massiva e massiva consome energia mais rapidamente, a estrela acima explodiu após se transformar em uma supernova em um período de tempo mais curto. Com isso, elementos de metais pesados ​​como o ferro passaram a ser abundantes no universo, e espera-se que o período em que outras estrelas se formaram também tenha se acelerado devido à abundância de metais.

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Por meio desses processos, muitas novas estrelas nasceram, e espera-se que uma galáxia pequena, mas suficiente para ser chamada de primeira, finalmente tenha sido criada. A radiação intensa de estrelas jovens massivas pode expelir gás denso de regiões de formação de estrelas e espera-se que desempenhe um papel importante na reionização do universo.

Pesquisar “profundidade média”

Além da pesquisa da equipe do Prof. Norman, vários resultados de simulação estão surgindo em todo o mundo. Com isso, várias teorias sobre a reionização cósmica são verificadas sequencialmente. O Telescópio Espacial James Webb, especializado em espaço profundo e distante, também está fazendo observações bem-sucedidas. Agora é a hora de identificar os objetos astronômicos esperados por meio de simulações.

A equipe Principal Regions Extragalactic Reionization and Lensing Sciences (PEARLS), que usa o Telescópio Espacial James Webb para estudar reionização externa e lentes, começou a obter imagens do pólo norte da eclíptica como parte do programa PEARLS GTO. Como o Telescópio Espacial James Webb é ideal para procurar núcleos galácticos ativos fracos (AGNs), supernovas com alto desvio para o vermelho e objetos variáveis ​​fracos, o objetivo principal do PEARLS é estudar o nascimento e a evolução das galáxias e a evolução dos AGNs. Nos dias atuais, estudamos o “alvorecer do universo”, a primeira idade da luz.

Primeiros resultados do estudo da equipe PEARLS sobre reionização externa e lentes, muitas galáxias e estrelas foram observadas em detalhes e nada menos que sete aglomerados de lentes gravitacionais foram capturados. ⓒ NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), R. Jansen (ASU), R. Jansen, J. Summers, R. O’Brien, R. Windhorst (ASU), A. Robotham (ICRAR/UWA) , A. Koekemoer (STScI), C. Willmer (UofA), Equipe PEARLS

A imagem em destaque representa cerca de um quarto da imagem total e cobre apenas 2% da área da lua cheia visível da Terra (devido à sua distância extra). Em particular, toda a região (“campo amplo”) da imagem de “profundidade média” (daí os objetos muito fracos na imagem acima) corresponde a cerca de mag 29 (aproximadamente 1 bilhão de vezes mais fraco do que o visível a olho nu). (Veja imagens em alta resolução)

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Basicamente, a câmera de infravermelho próximo do Telescópio Espacial James Webb (NIRCam), a Câmera Avançada para Pesquisas (ACS) do Telescópio Espacial Hubble e a Câmera de Campo Amplo 3 (WFC3) foram usadas para a imagem acima.

Os filtros utilizados são 8 filtros do Telescópio Espacial James Webb (F090W: comprimento de onda de 0,9 µm usado, marcado em ciano, F115W: comprimento de onda de 1,15 µm marcado em verde, F150W: comprimento de onda de 1,5 µm marcado em verde, F200W: comprimento de onda de 2 µm usado) F277W usando comprimento de onda 2,27 µm marcado em verde, F277W usando comprimento de onda 2,27 µm marcado em amarelo, F356W usando comprimento de onda 3,56 µm marcado em amarelo, F410M usando comprimento de onda 4,1 µm marcado em laranja e F444W usando comprimento de onda 4,44 µm marcado em vermelho.) e o três filtros do Telescópio Espacial Hubble (F275W: comprimento de onda de 0,275 µm, marcado em violeta, F435W: comprimento de onda de 0,435 µm, marcado em azul e F606W: comprimento de onda de 0,606 µm, marcado em azul).

Outra ferramenta também foi usada por James Webb, o Near Infrared Imager and Slit Spectrograph (NIRISS), que usava linhas de emissão espectral para estimar distâncias com mais precisão, permitindo que objetos fracos fossem vistos com mais detalhes. Porque eles podem ser observados usando o comprimento de onda total observado varia de 0,25 a 5 μm.

Primeiros resultados da equipe PEARLS estudando reionização e lentes extragalácticas © Windhorst et al. 2023

Pelo menos milhares de galáxias e inúmeras estrelas foram observadas em detalhe pela primeira vez, revelando o vazio e a beleza do universo. Também foram capturados pelo menos sete aglomerados de lentes gravitacionais, dois aglomerados primários de alto desvio para o vermelho e o sistema de galáxias VV 191. Graças à sua capacidade de detectar luz muito fraca, várias anãs marrons também foram capturadas.

Primeiros resultados da equipe PEARLS estudando reionização e lentes extragalácticas © Windhorst et al. 2023

Para referência, esta imagem é uma composição de imagens de exposição múltipla. Assim, algumas estrelas mostram picos de deflexão octogonais adicionais, um sinal do Telescópio Espacial James Webb original.

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Como os cientistas da equipe PEARLS avaliarão a primeira observação bem-sucedida?

O professor Roger Windhorst, da Arizona State University, que atualmente lidera a pesquisa PEARLS e prepara o programa acima há mais de 20 anos por uma grande equipe de cientistas internacionais, disse que as imagens do Telescópio Espacial James Webb são realmente incríveis e inimaginável. Ele expressou sua opinião de que transcende tudo. James Webb também mostrou que galáxias muito fracas e a luz que elas produzem podem ser medidas até o limite do infravermelho.

Primeiros resultados da equipe PEARLS estudando reionização e lentes extragalácticas © Windhorst et al. 2023

O Dr. Rolf Jansen, que esteve envolvido na pesquisa acima na Arizona State University, explicou que ficou surpreso com a primeira imagem do PEARLS, dizendo que quando ele escolheu a parte norte do eclipse como seu campo de observação, isso forneceu evidência direta do crescimento e evolução das galáxias que ele disse não esperar. No entanto, James Webb explicou que as imagens mostram não apenas um grande número de estrelas, mas também os halos de estrelas em suas regiões externas e os restos que compõem os objetos.

Os resultados obtidos por meio de simulações com James Webb renderam resultados mais detalhados do que o esperado, disseram Jake Summers e Rosalia O’Brien, que também trabalham no mesmo laboratório. Isso ocorre porque muitas coisas que não pensávamos que realmente veríamos foram descobertas, incluindo aglomerados globulares individuais em torno de galáxias elípticas distantes, partes formadoras de estrelas dentro de galáxias espirais e milhares de galáxias de fundo fracas. Em particular, a luz espalhada por estrelas e galáxias próximas é muito importante cosmologicamente porque contém a história do universo.

Primeiros resultados da equipe PEARLS estudando reionização e lentes extragalácticas © Windhorst et al. 2023

Análises e pesquisas detalhadas estão apenas começando. No entanto, o programa acima é aprovado para observar a mesma área por um ano usando o Telescópio Espacial James Webb, por isso tem a vantagem de obter imagens e informações mais detalhadas ao longo do tempo. Esta observação de longo prazo é absolutamente necessária porque a observação de longo prazo pode trazer muitas informações sobre o “amanhecer cósmico”.

Com isso, a equipe do PEARLS espera descobrir mais, como o acúmulo de gás em torno de buracos negros galácticos ativos a uma distância maior, ou a explosão de supernovas à distância.

* Ir para documentos relacionados – “James Webb Programa PERALS – Visão Geral do Projeto e Primeiros Resultados (JWST PEARLS. Principais Regiões Extragalácticas de Reionização e Lensologia: Visão Geral do Projeto e Primeiros Resultados)

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