O Telescópio Espacial James Webb está revolucionando a nossa compreensão da evolução das galáxias no universo primitivo através da análise do redshift e de técnicas avançadas de imagem, levando a descobertas significativas e enfatizando a necessidade de dados espectroscópicos precisos. Crédito: SciTechDaily.com
Usando redshift e fotometria, NASAde Telescópio Espacial James Webb está a descobrir os segredos das primeiras galáxias, demonstrando a necessidade de dados espectrais precisos para a compreensão da história do Universo.
Um dos objetivos científicos do Telescópio Espacial James Webb da NASA é entender como as galáxias do universo primitivo se formaram e evoluíram para galáxias muito maiores como a nossa. via Láctea. Este objetivo exige que identifiquemos amostras de galáxias em diferentes momentos da história do universo para explorar como as suas propriedades evoluem com o tempo.
Pedimos a Micaela Bagley, pós-doutoranda na Universidade do Texas em Austin, que explicasse como os astrónomos analisam a luz de galáxias distantes e determinam “quando na história do universo” as estamos a observar.
“A luz leva tempo para viajar pelo espaço. Quando a luz de uma galáxia distante (ou de qualquer objeto no espaço) chega até nós, vemos essa galáxia como ela apareceu no passado. Para determinar o “quando” no passado, usamos o desvio para o vermelho da galáxia.
“O Redshift diz-nos quanto tempo a luz passou a ser esticada para comprimentos de onda mais longos pela expansão do Universo à medida que viaja para chegar até nós. Podemos calcular o desvio para o vermelho usando características do espectro da galáxia, que é uma observação que espalha a luz de um alvo por comprimento de onda, essencialmente amostrando a luz em intervalos muito pequenos. Podemos medir as linhas de emissão e as quebras espectrais (mudanças abruptas na intensidade da luz em comprimentos de onda específicos) e comparar os comprimentos de onda observados com os comprimentos de onda emitidos conhecidos.
“Uma das formas mais eficientes de identificar galáxias é através de imagens, por exemplo, com o instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do observatório. Tiramos imagens usando vários filtros para coletar a luz do objeto em diversas cores diferentes. Quando medimos a fotometria de uma galáxia, ou o quão brilhante ela é em uma imagem, estamos medindo a média do brilho do objeto em toda a faixa de comprimentos de onda transmitidos pelo filtro. Podemos observar uma galáxia com os filtros de imagem de banda larga do NIRCam, mas há muitas informações detalhadas escondidas em cada medição para cada 0,3–1,0 mícron de cobertura de comprimento de onda.
“Ainda assim, podemos começar a restringir a forma do espectro de uma galáxia. A forma do espectro é afetada por diversas propriedades, incluindo quantas estrelas estão se formando na galáxia, quanta poeira está presente dentro dela e quanto a luz da galáxia foi desviada para o vermelho. Comparamos o brilho medido da galáxia em cada filtro com o brilho previsto para um conjunto de modelos de galáxias abrangendo uma faixa dessas propriedades em uma faixa de redshifts. Com base em quão bem os modelos se ajustam aos dados, podemos determinar a probabilidade de a galáxia estar num determinado desvio para o vermelho ou “momento da história”. O redshift mais adequado determinado por meio desta análise é chamado de redshift fotométrico.
Uma ilustração da medição de um redshift fotométrico usando seis filtros de imagem de banda larga (painel esquerdo). Um modelo de espectro de galáxia com uma forte quebra espectral e várias linhas de emissão é mostrado em cinza. O comprimento de onda no qual a luz foi emitida e observada está listado na parte superior e inferior, respectivamente. A luz foi desviada para o vermelho (ou esticada) por um fator de 10. As transmissões do filtro NIRCam e as coberturas de comprimento de onda são mostradas pelas regiões sombreadas coloridas. Medimos o fluxo médio em cada filtro (círculos) e ajustamos esses seis pontos de dados com diferentes modelos de galáxias em uma faixa de redshifts para determinar a probabilidade de a galáxia estar em cada redshift. A galáxia tem um desvio para o vermelho fotométrico mais adequado de 9 (quando o universo tinha 550 milhões de anos), mas a distribuição de probabilidade (painel direito) cobre a faixa de desvio para o vermelho de 7-11 (quando o universo tinha entre 420 e 770 milhões de anos). .) Crédito: Micaela Bagley
“Em julho de 2022, as equipes usaram imagens NIRCam do Pesquisa CEERS para identificar duas galáxias com redshifts fotométricos maiores que 11 (quando o universo tinha menos de 420 milhões de anos). Nenhum desses objetos foi detectado pelo satélite da NASA. telescópio espacial Hubble observações neste campo porque são muito fracas ou são detectáveis apenas em comprimentos de onda fora da sensibilidade do Hubble. Estas foram descobertas muito emocionantes com o novo telescópio!
Duas galáxias descobertas nas primeiras imagens do NIRCam com redshifts fotométricos de 11,5 e 16,4 (quando o universo tinha cerca de 390 e 240 milhões de anos, respectivamente). Para cada galáxia, as equipes mostram recortes de imagem em todos os filtros disponíveis na parte superior, a fotometria observada, o modelo de galáxia mais adequado e a distribuição fotométrica de probabilidade do redshift como uma inserção. Crédito: Painel superior – Finkelstein et al. (2023); Painel inferior – Donnan et al. (2023) .
“No entanto, o desvio fotométrico para o vermelho de uma galáxia é um tanto incerto. Por exemplo, podemos determinar que uma quebra espectral está presente em um filtro, mas não o comprimento de onda preciso da quebra. Embora possamos estimar o desvio para o vermelho mais adequado com base na modelagem da fotometria, a distribuição de probabilidade resultante é frequentemente ampla. Além disso, galáxias com diferentes redshifts podem ter cores semelhantes em filtros de banda larga, tornando difícil distinguir seus redshifts com base apenas na fotometria. Por exemplo, galáxias vermelhas e poeirentas com redshifts inferiores a 5 (ou quando o Universo tinha 1,1 mil milhões de anos ou mais) e estrelas frias na nossa própria galáxia podem por vezes imitar as mesmas cores de uma galáxia com elevado redshift. Portanto, consideramos todas as galáxias selecionadas com base em seus redshifts fotométricos como sendo de alto redshift. candidatos até que possamos obter um redshift mais preciso.
“Podemos determinar um desvio para o vermelho mais preciso para uma galáxia obtendo um espectro. Conforme ilustrado na figura a seguir, nosso cálculo da distribuição de probabilidade do desvio para o vermelho melhora à medida que medimos a fotometria de uma galáxia em passos de comprimento de onda cada vez mais finos. A distribuição de probabilidade diminui à medida que passamos do uso de filtros de banda larga para geração de imagens (parte superior) para um número maior de filtros mais estreitos (meio) e para um espectro (parte inferior). Na linha inferior, podemos começar a desmarcar características específicas, como a quebra espectral na extrema esquerda e as linhas de emissão, para obter uma distribuição de probabilidade de desvio para o vermelho que é muito precisa – um desvio para o vermelho espectroscópico.
Uma ilustração de como a distribuição de probabilidade do desvio para o vermelho (painéis da direita) se estreita à medida que medimos a fotometria de uma galáxia (painéis da esquerda) em passos de comprimento de onda cada vez mais finos. Crédito: Micaela Bagley
“Em fevereiro de 2023, as equipes do CEERS acompanharam seus candidatos de alto redshift com o instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do observatório para medir redshifts espectroscópicos precisos. Foi confirmado que um candidato (Galáxia de Maisie) estava com desvio para o vermelho 11,4 (quando o universo tinha 390 milhões de anos), enquanto o segundo candidato estava realmente com um desvio para o vermelho inferior de 4,9 (quando o universo tinha 1,2 bilhão de anos). )
Observações espectroscópicas com o instrumento NIRSpec das duas candidatas a galáxias nos redshifts 11,5 e 16,4. A linha superior mostra a Galáxia de Maisie à esquerda, que está confirmada com um desvio para o vermelho de 11,44 (ou quando o universo tinha cerca de 390 milhões de anos). Este desvio para o vermelho é baseado na detecção da quebra espectral marcada pela linha vermelha vertical pontilhada na figura à direita na linha superior do espectro NIRSpec. A linha inferior mostra o candidato de Donnan et al. (2023), que se encontra em um desvio para o vermelho de 4,9 a partir de fortes linhas de emissão de oxigênio duplamente ionizado ((OIII)) e hidrogênio (Hα). Crédito: Figuras 2 e 3 de Arrabal Haro et al. (2023)
“Mesmo os casos em que descobrimos que uma candidata com alto redshift é na verdade uma galáxia com menor redshift podem ser muito emocionantes. Eles permitem-nos aprender mais sobre as condições nas galáxias e a forma como essas condições afetam a sua fotometria, para melhorar os nossos modelos de espectros de galáxias e para restringir a evolução das galáxias em todos os desvios para o vermelho. No entanto, eles também destacam a necessidade de obter espectros para confirmar candidatos com alto desvio para o vermelho.
Sobre o autor
Micaela Bagley é pós-doutoranda na Universidade do Texas em Austin e membro do CEERS. Eles estudam a formação e evolução de galáxias no universo primitivo. Micaela é também responsável pelo processamento de todas as imagens NIRCam para a equipa do CEERS.
