Webb ontdekt 8,5 miljard jaar oud kwalstelsel

In gegevens van de James Webb Space Telescope heeft een team onder leiding van de University of Waterloo een kandidaat-"kwalstelsel" geïdentificeerd waarvan het licht ongeveer 8,5 miljard jaar geleden vertrok. Het object, gecatalogiseerd met een roodverschuiving van z = 1,156 en ontdekt in JWST-waarnemingen van het COSMOS-veld, vertoont de lange, tentakelachtige stromen van gas en jonge sterren die kenmerkend zijn voor nabijgelegen kwalstelsels. De ontdekking, gepubliceerd als "JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156" in The Astrophysical Journal, verschuift het fenomeen van omgevingsstripping naar een veel vroeger punt in de kosmische geschiedenis dan astronomen voorheen hadden bevestigd.

James Webb Space Telescope-ontdekking in het COSMOS-veld

Het COSMOS-veld — een diep, overzichtelijk stukje hemel dat specifiek is geselecteerd omdat het een helder zicht biedt op zwakke, verre sterrenstelsels — is een werkpaard voor surveys geweest. Onderzoekers bestudeerden de JWST-beeldvorming en -spectroscopie van deze goed onderzochte regio opnieuw en identificeerden de kandidaat voor het kwalstelsel tijdens hun zoektocht naar tekenen van sterrenstelsels die actief worden getransformeerd door hun omgeving. Omdat het COSMOS-veld minimale voorgrondvervuiling en een zeer diepe dekking over meerdere golflengten heeft, maakt de infraroodgevoeligheid van JWST het mogelijk om kenmerken te zien die door kosmologische afstand zijn uitgerekt en roder zijn geworden, maar nog steeds ruimtelijk kunnen worden onderscheiden.

Dr. Ian Roberts, een Banting Postdoctoral Fellow aan het Waterloo Centre for Astrophysics, beschreef de vondst als onverwacht: tijdens het doorspitten van de dataset merkte het team een ver weg gelegen, ongedocumenteerd sterrenstelsel op met een onmiskenbare morfologie — een compacte kern met lange, slepende filamenten. De combinatie van de resolutie van JWST in het nabij-infrarood en de gelaagde gegevens van COSMOS stelde het team in staat om de roodverschuiving van het stelsel te meten en een fysiek beeld samen te stellen van een systeem dat actieve stripping ondergaat in een dichte omgeving vroeg in de geschiedenis van het universum.

Wat definieert een kwalstelsel?

Kwalstelsels (jellyfish galaxies) zijn een morfologische klasse die vernoemd is naar hun lange, tentakelachtige staarten van gas en nieuw gevormde sterren die achter een bewegend sterrenstelsel aan slepen. Die staarten zijn niet decoratief: ze ontstaan wanneer een sterrenstelsel door het hete, dichte gas stort dat clusters van sterrenstelsels vult. De druk van dit intraclustermedium die inwerkt op het interstellaire gas van een sterrenstelsel — een proces dat bekendstaat als ram-pressure stripping — blaast materiaal uit het stelsel weg zoals de wind nevel van een auto blaast, waarbij langgerekte stromen achterblijven waar gas afkoelt en instort tot nieuwe sterren.

Nabijgelegen voorbeelden, waargenomen met instrumenten zoals Hubble en telescopen op de grond, onthullen spectaculaire knooppunten van stervorming in de staarten en een abrupte afkapping van stervorming in de schijf van het sterrenstelsel. Wat de kandidaat op z = 1,156 opmerkelijk maakt, is dat deze aantoont dat dezelfde natuurkunde werkzaam was toen het universum aanzienlijk jonger was, wat suggereert dat clusteromgevingen al eerder vijandig konden zijn voor sterrenstelsels dan standaardmodellen hadden voorspeld.

James Webb Space Telescope-bewijs voor vroege cluster-stripping

Vóór deze ontdekking dachten astronomen dat clusters die massief genoeg waren om sterke ram-pressure stripping te veroorzaken, zeldzamer waren in tijdperken die overeenkomen met roodverschuivingen rond de één. De nieuwe kandidaat vertoont duidelijke morfologische tekenen die consistent zijn met stripping op z = 1,156, wat overeenkomt met een terugkijktijd van ongeveer 8,5 miljard jaar. Dat tijdstip ligt ruim vóór het huidige tijdperk van gevestigde, massieve clusters en suggereert dat protoclusters of dichte omgevingen die in staat zijn tot stripping, al actief bezig waren met het transformeren van sterrenstelsels.

De implicaties zijn tweeledig. Ten eerste zouden omgevingsprocessen die stervorming uitdoven en gasrijke spiralen veranderen in passieve cluster-stelsels, eerder en wijdverspreider effectief kunnen zijn geweest dan veel simulaties voorspellen. Ten tweede biedt de aanwezigheid van een dergelijk sterrenstelsel een mechanisme voor de opbouw van de grote populatie "dode" sterrenstelsels die tegenwoordig in clusters worden gevonden: gasstripping versnelt het einde van de stervorming, waardoor rode, rustende systemen achterblijven die de kernen van clusters domineren.

Hoe JWST de staarten zag: beeldvorming en context

De instrumenten van JWST, geoptimaliseerd voor nabij- en mid-infrarode golflengten, zijn cruciaal voor het onderscheiden van structuren in verre sterrenstelsels waarvan het optische licht door roodverschuiving naar het infrarood is verschoven. In de praktijk betekent dit dat JWST het sterlicht en de door stof herverwerkte emissie in beeld kan brengen die zowel de compacte stellaire kern als de uitgestrekte, zwakke filamenten van een kwalstelsel op kosmologische afstanden onthullen. De uitgebreide aanvullende gegevens van het COSMOS-veld — van röntgenkaarten die heet intraclustergas traceren tot spectroscopie vanaf de grond die omgevingscontext biedt — helpen onderzoekers te interpreteren of het sterrenstelsel zich in een werkelijk dichte omgeving bevindt of dat het er simpelweg vlakbij geprojecteerd is.

Hoewel het artikel het object presenteert als een sterke kandidaat in plaats van een onomstotelijk geval, plaatst de combinatie van morfologisch bewijs en roodverschuiving het bij de vroegste overtuigende voorbeelden van een sterrenstelsel dat stripping ondergaat. Vervolgwaarnemingen met JWST en diepe röntgen- of radiogegevens kunnen helpen de aanwezigheid van een omringend heet medium te bevestigen en de dynamiek van het systeem steviger vast te stellen.

Waarom deze bevinding belangrijk is voor de evolutie van sterrenstelsels

Sterrenstelsels evolueren door een mix van interne en externe processen. Interne processen — gasverbruik bij stervorming, feedback van supernova's en actieve kernen — vinden plaats ongeacht de omgeving. Externe processen zoals getijdeninteracties en ram-pressure stripping hangen af van de omgeving. Het vinden van gestripte sterrenstelsels op z ≈ 1,156 verschuift de balans: het laat zien dat door de omgeving gedreven transformatie al belangrijk was toen het universum ongeveer de helft van zijn huidige leeftijd had.

Die verschuiving heeft concrete gevolgen voor modellen van de opbouw en het uitdoven van sterrenstelsels. Simulaties die de waargenomen demografie van sterrenstelsels proberen te reproduceren, moeten nu in ten minste sommige regio's rekening houden met sterkere of vroege omgevingseffecten. Voor de observationele astronomie is deze ontdekking een demonstratie dat JWST de wisselwerking tussen sterrenstelsels en hun omgeving kan waarnemen op terugkijktijden die voorheen alleen toegankelijk waren als vage of geïntegreerde signalen.

Volgende stappen: de kandidaat bevestigen en de omgeving in kaart brengen

De James Webb Space Telescope blijft verrassingen leveren terwijl teams grote surveyvelden zoals COSMOS opnieuw verwerken met nieuwe gevoeligheid en resolutie. Elk nieuw geïdentificeerd object bij een hoge roodverschuiving is niet alleen een datapunt, maar een middel om de fysieke processen te onderzoeken die sterrenstelsels door de kosmische tijd heen vormen, en de kwalstelsel-kandidaat op z = 1,156 is een levendig voorbeeld van hoe diep infraroodzicht ons verhaal over het jonge universum hervormt.

Bronnen

• The Astrophysical Journal (onderzoeksartikel: "JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156")
• University of Waterloo (Waterloo Centre for Astrophysics)
• James Webb Space Telescope (NASA/ESA/CSA-waarnemingen)
• COSMOS (Cosmic Evolution Survey)