Uzay Teleskoplarıyla Mesafeyi Çözme

Kırmızıya kayma ve fotometri kullanılarak, NASA‘S James Webb Uzay Teleskobu erken galaksilerin sırlarını ortaya çıkarıyor ve evrenin tarihini anlamada kesin spektral verilere duyulan ihtiyacı ortaya koyuyor.

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’nun bilimsel hedeflerinden biri, erken evrendeki galaksilerin nasıl oluştuğunu ve bizimki gibi çok daha büyük galaksilere dönüştüğünü anlamaktır. Samanyolu. Bu amaç, özelliklerinin zamanla nasıl geliştiğini araştırmak için evrenin tarihinde farklı anlardaki gökada örneklerini tanımlamamızı gerektirir.

Austin’deki Texas Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Micaela Bagley’den gökbilimcilerin uzak galaksilerden gelen ışığı nasıl analiz ettiğini ve onları “evrenin tarihinde ne zaman” gözlemlediğimizi nasıl belirlediklerini açıklamasını istedik.

“Işığın uzayda yolculuğu zaman alır. Uzak bir galaksiden (ya da uzaydaki herhangi bir nesneden) gelen ışık bize ulaştığında, o galaksiyi geçmişteki haliyle görürüz. Geçmişteki ‘ne zaman’ı belirlemek için galaksinin kırmızıya kaymasını kullanırız.

“Kırmızıya kayma, ışığın bize ulaşmak için seyahat ederken evrenin genişlemesiyle daha uzun dalga boylarına gerilmek için ne kadar zaman harcadığını bize anlatıyor. Kırmızıya kaymayı, galaksinin spektrumundaki özellikleri kullanarak hesaplayabiliriz; bu, ışığı bir hedeften dalga boyuna göre yayan, esasen ışığı çok küçük aralıklarla örnekleyen bir gözlemdir. Emisyon çizgilerini ve spektral kırılmaları (belirli dalga boylarında ışık yoğunluğundaki ani değişiklikler) ölçebilir ve gözlemlenen dalga boylarını, bilinen yayılan dalga boylarıyla karşılaştırabiliriz.

“Galaksileri tanımlamanın en etkili yollarından biri, örneğin gözlemevinin NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) cihazıyla görüntüleme yapmaktır. Nesnenin ışığını birkaç farklı renkte toplamak için birden fazla filtre kullanarak görüntüler çekiyoruz. Bir galaksinin fotometrisini veya bir görüntüdeki parlaklığını ölçtüğümüzde, filtre tarafından iletilen tüm dalga boyu aralığı boyunca ortalama olarak nesnenin parlaklığını ölçüyoruz. NIRCam’in geniş bant görüntüleme filtreleriyle bir galaksiyi gözlemleyebiliriz, ancak dalga boyu kapsamındaki her 0,3-1,0 mikron için her bir ölçümün içinde çok sayıda ayrıntılı bilgi gizlenmiştir.

“Yine de bir galaksinin spektrumunun şeklini sınırlamaya başlayabiliriz. Spektrumun şekli, galakside kaç yıldızın oluştuğu, galaksinin içinde ne kadar toz bulunduğu ve galaksinin ışığının ne kadar kırmızıya kaydığı gibi çeşitli özelliklerden etkilenir. Her filtrede galaksinin ölçülen parlaklığını, kırmızıya kayma aralığında bu özelliklerin bir aralığını kapsayan bir dizi galaksi modeli için tahmin edilen parlaklıkla karşılaştırıyoruz. Modellerin verilere ne kadar iyi uyduğuna bağlı olarak galaksinin belirli bir kırmızıya kayma veya ‘tarihteki bir an’da olma olasılığını belirleyebiliriz. Bu analizle belirlenen en uygun kırmızıya kaymaya fotometrik kırmızıya kayma adı verilir.

Altı geniş bant görüntüleme filtresi (sol panel) kullanılarak fotometrik kırmızıya kaymanın ölçülmesini gösteren bir çizim. Güçlü bir spektral kırılmaya ve çeşitli emisyon çizgilerine sahip bir model galaksi spektrumu gri renkle gösterilmiştir. Işığın yayıldığı ve gözlemlendiği dalga boyu sırasıyla üstte ve altta listelenir. Işık 10 kat kırmızıya kaymıştır (veya uzatılmıştır). NIRCam filtre iletimleri ve dalga boyu kapsama alanları renkli gölgeli bölgelerle gösterilmiştir. Her filtredeki (dairelerdeki) ortalama akışı ölçüyoruz ve galaksinin her kırmızıya kaymada olma olasılığını belirlemek için bu altı veri noktasını bir kırmızıya kayma aralığında farklı galaksi modelleriyle eşleştiriyoruz. Galaksinin en uygun fotometrik kırmızıya kayma değeri 9’dur (evren 550 milyon yaşında iken), ancak olasılık dağılımı (sağ panel) 7-11’lik kırmızıya kayma aralığını kapsar (evren 420 ila 770 milyon yaşında iken) .) Kredi: Micaela Bagley

“Temmuz 2022’de ekipler NIRCam görüntülerini kullandı. CEERS Araştırması fotometrik kırmızıya kayması 11’den büyük olan iki galaksiyi tanımlamak için (evrenin yaşı 420 milyon yıldan daha küçükken). Bu nesnelerin hiçbiri NASA tarafından tespit edilmedi. Hubble uzay teleskobu Bu alandaki gözlemlerin nedeni ya çok zayıf olmaları ya da yalnızca Hubble’ın duyarlılığı dışındaki dalga boylarında tespit edilebilmeleridir. Bunlar yeni teleskopla yapılan çok heyecan verici keşiflerdi!

Erken NIRCam görüntülemesinde, fotometrik kırmızıya kaymaları 11,5 ve 16,4 olan iki gökada keşfedildi (evrenin sırasıyla yaklaşık 390 ve 240 milyon yaşında olduğu zaman). Ekipler, her galaksi için üst kısımdaki mevcut tüm filtrelerde görüntü kesitlerini, gözlemlenen fotometriyi, en uygun galaksi modelini ve fotometrik kırmızıya kayma olasılık dağılımını ek olarak gösterir. Katkıda bulunanlar: Üst panel – Finkelstein ve ark. (2023) ; Alt panel – Donnan ve ark. (2023) .

“Ancak bir galaksinin fotometrik kırmızıya kayması biraz belirsizdir. Örneğin, bir filtrede spektral bir kırılmanın mevcut olduğunu belirleyebiliriz ancak kırılmanın kesin dalga boyunu belirleyemeyiz. Fotometri modellemesine dayanarak en uygun kırmızıya kaymayı tahmin edebilsek de, ortaya çıkan olasılık dağılımı genellikle geniştir. Ek olarak, farklı kırmızıya kaymalardaki galaksiler geniş bant filtrelerde benzer renklere sahip olabilir, bu da onların kırmızıya kaymalarının yalnızca fotometriye dayalı olarak ayırt edilmesini zorlaştırır. Örneğin, kırmızıya kayma değeri 5’in altında olan (veya evrenin 1,1 milyar yıl veya daha yaşlı olduğu) kırmızı, tozlu galaksiler ve kendi galaksimizdeki soğuk yıldızlar, bazen yüksek kırmızıya kayma galaksisinin aynı renklerini taklit edebilir. Bu nedenle, fotometrik kırmızıya kaymalarına göre seçilen tüm galaksilerin yüksek kırmızıya kaymalı olduğunu düşünüyoruz. adaylar daha kesin bir kırmızıya kayma elde edene kadar.

“Bir spektrum elde ederek bir galaksinin kırmızıya kaymasını daha kesin bir şekilde belirleyebiliriz. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bir galaksinin fotometrisini daha ince dalga boyu adımlarında ölçtükçe kırmızıya kayma olasılık dağılımına ilişkin hesaplamalarımız gelişir. Görüntüleme için geniş bant filtreleri kullanmaktan (üstte), daha fazla sayıda daha dar filtreye (orta) ve spektruma (altta) doğru ilerledikçe olasılık dağılımı daralır. En alt sırada, çok hassas bir kırmızıya kayma olasılık dağılımı (spektroskopik bir kırmızıya kayma) elde etmek için en soldaki spektral kırılma ve emisyon çizgileri gibi belirli özellikleri kapatmaya başlayabiliriz.

Bir galaksinin fotometrisini (sol paneller) daha ince dalga boyu adımlarında ölçerken kırmızıya kayma olasılık dağılımının (sağ paneller) nasıl daraldığını gösteren bir örnek. Kredi bilgileri: Micaela Bagley

“Şubat 2023’te CEERS ekipleri, hassas, spektroskopik kırmızıya kaymaları ölçmek için yüksek kırmızıya kayma adaylarını gözlemevinin NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrograf) cihazıyla takip etti. Bir adayın (Maisie Galaksisi) 11,4 kırmızıya kayma olduğu doğrulanırken (evren 390 milyon yaşında iken), ikinci adayın aslında 4,9 gibi daha düşük bir kırmızıya kaymada olduğu (evren 1,2 milyar yaşında iken) keşfedildi. )

Kırmızıya kaymaları 11.5 ve 16.4 olan iki galaksi adayının NIRSpec cihazıyla tayfsal gözlemleri. Üst sıra, solda Maisie Galaksisini gösteriyor; bunun kırmızıya kayma oranının 11,44 olduğu (veya evrenin yaklaşık 390 milyon yaşında olduğu zaman) olduğu doğrulanıyor. Bu kırmızıya kayma, NIRSpec spektrumunda üst sırada sağdaki noktalı dikey kırmızı çizgiyle işaretlenen spektral kırılmanın tespitine dayanmaktadır. Alt satırda Donnan ve ark.’nın adayı gösterilmektedir. (2023), güçlü çift iyonize oksijenden 4,9 kırmızıya kaymada olduğu bulunmuştur ([OIII]) ve hidrojen (Ha) emisyon hatları. Kredi: Arrabal Haro ve ark.’dan Şekil 2 ve 3. (2023)

“Yüksek kırmızıya kayma adayının aslında daha düşük kırmızıya kayma galaksisi olduğunu keşfettiğimiz durumlar bile çok heyecan verici olabilir. Galaksilerdeki koşullar ve bu koşulların galaksilerin fotometrisini nasıl etkilediği hakkında daha fazla bilgi edinmemize, galaksi spektrumu modellerimizi geliştirmemize ve galaksi evrimini tüm kırmızıya kaymalar boyunca sınırlamamıza olanak tanır. Ancak aynı zamanda yüksek kırmızıya kayma adaylarını doğrulamak için spektrum elde etme ihtiyacını da vurguluyorlar.

yazar hakkında

Micaela Bagley, Austin’deki Texas Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacıdır ve CEERS üyesidir. Erken evrendeki galaksi oluşumunu ve evrimini inceliyorlar. Micaela ayrıca CEERS ekibi için tüm NIRCam görüntülerinin işlenmesinden de sorumludur.