James Webb-teleskopet, som kom i drift i fjor, gir et nytt blikk på universet.

Det er spesielt godt egnet til å fange opp infrarød stråling og er svært følsomt. Astronomer kan dermed se enda dypere inn i universet enn før.

I en ny studie i Nature presenteres seks nye galakser som er oppdaget med James Webb.

Basert på fargen i lyset, ser det ut til at disse galaksene befinner seg langt, langt unna. De eksisterte bare noen hundre millioner år etter big bang.

Likevel hadde de allerede vokst seg store - uventet store, ifølge forskere bak den nye studien.

LES OGSÅ

Hva står bak dette gigantiske rumpetrollet i verdensrommet?

Forventet å finne babygalakser

Studien tyder på at de seks galaksene eksisterte mellom 500 og 700 millioner år etter big bang.

Dette er tidlig i universets historie, som er 13,8 milliarder år lang.

Galaksene har en masse på opptil ti milliarder ganger solen. Den ene har potensielt en masse på 100 milliarder ganger solen.

– Vi forventet bare å finne små, unge babygalakser på dette tidspunktet, men vi har oppdaget galakser like modne som vår egen i det som tidligere ble forstått å være universets morgengry, sier Joel Leja i en pressemelding.

Leja er universitetslektor i astronomi og astrofysikk ved Pennsylvania State University.

Passer ikke inn

Hvis resultatene stemmer, stiller det spørsmål ved modellene for hvordan galakser utviklet seg i det tidlige universet, ifølge pressemeldingen.

– Avsløringen om at massiv galaksedannelse begynte ekstremt tidlig i universets historie, endrer det mange av oss trodde var fastsatt vitenskap, sier Leja.

Han forteller at galaksene er så massive at de ikke passer med 99 prosent av modellene for kosmologi, læren om universet før og nå.

Leja sier at de digre objektene raskt dukket opp i data fra James Webb.

– Vi begynte å gjøre modelleringen og prøvde å finne ut hva de var, fordi de var så store og lyssterke.

– Min første tanke var at vi hadde gjort en feil, og vi måtte bare finne den og gå videre med livene våre. Men vi har ennå ikke funnet den feilen, til tross for mange forsøk.

Leja sier at de uformelt har kalt objektene «universe breakers» og at de foreløpig lever opp til navnet.

Mye som er usikkert

Håkon Dahle er astrofysiker og tilknyttet Universitetet i Oslo. Han er en av dem første som har brukt James Webb-teleskopet.

Sammen med en gruppe jobber Dahle nå med å undersøke svært lyssterke objekter som eksisterte rundt 1,3 milliarder år etter big bang.

Dahle sier det er mye som er usikkert ved de nye målingene av de massive, unge galaksene.

Alderen på galaksene er beregnet ut fra hvor langt unna de befinner seg. Jo lenger ut i universet vi ser, jo lenger tilbake i tid ser vi. Det er fordi lyset har en konstant hastighet og bruker tid på å nå fram til oss.

Avstanden i den nye studien er beregnet basert på farger.

For å bekrefte avstanden nøyaktig må det gjøres spektroskopi av galaksene, forklarer Dahle. Det skriver også forskerne i studien.

LES OGSÅ

Romteleskopet James Webb har oppdaget karbondioksid på en fjern planet

Annen type måling kan avgjøre avstanden

Håkon Dahle utdyper hvorfor spektroskopi er nødvendig for å bli sikker på avstanden.

Det forskerne har gjort nå, er å måle fargen i lyset.

– Man bruker mange forskjellige filtre og tar bilder, og sammenligner hvor lyssterke galaksene er i de forskjellige bildene.

Dette sammenlignes med maler for hvordan lys ser ut fra forskjellige galakser på ulike avstander.

Rødere lys tyder på at galaksene er langt unna. Det er fordi bølgelengden i lys strekkes ut mens det er på vei mot oss. Det skyldes at universet hele tiden utvider seg.

Lys som i utgangspunktet var synlig lys eller ultrafiolett har fått lenger bølgelengder og fanges opp som rødt eller infrarødt lys. James Webb er spesielt god på å se det infrarøde lyset.

De seks galaksene i den nye studien ser veldig røde ut, sier Dahle.

– Det tolkes som at de befinner seg langt unna.

Sprer ut lyset

Et problem er at malene som brukes er basert på galakser man kjenner fra før og som er observert med andre teleskoper, sier Dahle.

– Mens disse galaksene som James Webb-teleskopet finner nå, er galakser som man ikke har klart å se tidligere. Det er ikke så rart om de skulle ha litt andre egenskaper.

Det er derfor nødvendig med spektroskopi for å bekrefte avstanden, forteller Dahle.

I spektroskopi spres bølgelengdene i lyset ut. Den enkleste formen for dette er når lys brytes til en regnbue ved hjelp at et prisme. Les mer om spektroskopi i denne saken.

Når lysspekteret er spredd ut kan man se fingeravtrykket til grunnstoffer, som for eksempel hydrogen. Hydrogenatomer tar opp og sender ut lys på helt spesifikke bølgelengder. Dette kan vises som ekstra lyssterke, eller svakere linjer i spekteret.

Ettersom lyset har blitt rødere og strukket ut på sin vei mot oss, vil disse linjene bli forskjøvet. Dermed kan forskere finne ut nøyaktig hvor langt lyset har reist og beregne avstanden til galaksen.

LES OGSÅ

James Webb-teleskopet har funnet noe i restene av denne stjerneeksplosjonen

Uansett spennende

Hvis galaksene ikke er så langt unna som det ser ut, så betyr det at galaksene ikke inneholder like mange stjerner.

– Det gjør at hele argumentet deres blir usikkert, sier Dahle.

Uansett er oppdagelsen spennende, synes han.

– Vi ser en type galakse som vi ikke har sett før, det er helt klart. Så selv om dette skulle vise seg å være galakser som ikke ligger så langt unna, er det fortsatt interessant fordi disse galaksene har andre egenskaper enn de vi har sett før.

De sender ut lys hovedsakelig i det infrarøde området.

En årsak kan være at de inneholder mye støv. Støv blokkerer det meste av det synlige lyset men slipper igjennom infrarød stråling.

– En annen ting som blir nevnt i artikkelen er at disse galaksene ser veldig kompakte ut. Det er et veldig lite område som sender ut veldig mye stråling.

Galaksen som ser ut til å være like massiv som Melkeveien, har da mange stjerner, men de må være fordelt over et mye mindre område. Stjernene står tettere.

Lys fra supermassive sorte hull?

En annen mulighet, sier Dahle, er at ikke alt lyset kommer fra stjerner, men også fra et supermassivt sort hull i midten av galaksene. Trolig har de fleste galakser et sort hull i midten. Det gjelder også Melkeveien.

– Det sorte hullet i Melkeveien er ikke det man kaller en aktiv galaksekjerne, sier Dahle.

– En aktiv galaksekjerne oppstår når det faller gass inn mot et sort hull. Da blir gassen varmet opp veldig kraftig og sender ut veldig mye stråling.

I noen tilfeller kan galaksekjernene stråle sterkere enn alle stjernene i galaksen til sammen, forteller Dahle. Da kalles det en kvasar. Men det finnes også andre aktive galaksekjerner som ikke er så ekstreme.

En mulighet er at en aktiv galaksekjerne står bak en del av strålingen i noen av de nyoppdagede galaksene. I så fall er det ikke så mange stjerner i dem som det ser ut til.

Må ha litt flaks

Dahle påpeker to andre ting som kan være av betydning når man tolker observasjoner fra James Webb av fjerne galakser.

– De har sett på et ganske lite område på himmelen.

En skal ha ganske flaks for å finne eldgamle galakser på et tilfeldig utvalgt lite område av himmelen, forteller Dahle.

– De modellene vi har i dag for hvordan galakser blir dannet, det er at i starten blir galakser dannet klumpet sammen. De er ikke fordelt jevnt utover.

I starten var det store områder i universet hvor det ikke fantes noen galakser. Hvis du leter vil du altså flest ganger ikke finne noe.

– For at galakser skal bli dannet så må tettheten i området nå en terskelverdi. I starten er det bare noen få områder som har rukket å nå den terskelverdien. Hvis du tilfeldigvis finner en, så er det høyst sannsynlig at du vil se andre galakser rundt.

Uventet oppdagelse

Dahle nevner også at man må være oppmerksom på feil ved kalibreringen. Det har for eksempel vist seg at James Webb er mer følsom i den rødeste enden enn ventet.

Når man korrigerte for det så forsvant mange av kandidatene for ekstremt fjerne galakser som ble rapportert om de første ukene etter James Webb slapp data.

Joel Leja sier i pressemeldingen at spektroskopi vil kunne bekrefte funnene deres.

– Et spekter vil umiddelbart fortelle oss om disse tingene er ekte eller ikke, sier han.

– Det vil vise oss hvor store de er, hvor langt unna de er. Det som er morsomt er at vi har alle disse tingene vi håper å lære av James Webb, og dette var ikke i nærheten av toppen av listen. Vi har funnet noe vi aldri tenkte å spørre universet om - og det skjedde mye raskere enn jeg trodde, men her er vi.

Referanse:

Ivo Labbé, m. fl.: «A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang», Nature, 22. februar 2023.

LES OGSÅ

De første bildene fra James Webb-teleskopet overgikk all forventning