MIRI-instrument op JWST detecteert voor het eerst H-alpha-emissie tijdens de kosmische dageraad

Een internationaal team van astronomen onder leiding van Pierluigi Rinaldi van de Rijksuniversiteit Groningen heeft voor het eerst H-alpha-emissie gedetecteerd in individuele sterrenstelsels tijdens de zogeheten Epoch of Reionization, ofwel de kosmische dageraad. Ze maakten daarbij gebruik van de diepste beelden die het MIRI-instrument op de James Webb Space Telescope tot nu toe heeft gemaakt. Het resultaat is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal.

Stervormende sterrenstelsels produceren een grote hoeveelheid UV-fotonen, maar tijdens de kosmische dageraad worden deze fotonen geabsorbeerd door het intergalactische medium. De beste tracer om het niveau van stervorming te meten is de H-alpha-emissielijn in het optische spectrum. Voor sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving is deze optische lijn verschoven naar langere golflengten, naar het nabij- en mid-infrarood.

MIRI
De H-alpha lijn is nu – met het MIRI-instrument op JWST – voor het eerst bestudeerd voor sterrenstelsels met een roodverschuiving hoger dan zeven (z>7) tijdens de kosmische dageraad, de periode van minder dan een miljard jaar na de oerknal, waarin het neutrale waterstofgas ioniseerde. Het onderzoek van Rinaldi en collega’s laat voor het eerst zien dat een gedetailleerde studie van stervorming in vroege sterrenstelsels mogelijk is en kan worden uitgevoerd met JWST/MIRI.

H-alpha
Er is weinig bekend over de sterrenstelsels in de Epoch of Reionization. Bij hoge roodverschuiving hebben eerdere studies zich gebaseerd op de analyse van een andere prominente spectraallijn, Lyman-alpha genaamd, maar deze lijn wordt erg zwak of is in het algemeen helemaal niet aanwezig in sterrenstelsels in de kosmische dageraad omdat hij wordt geabsorbeerd door het intergalactische medium, dat in die vroege periode meestal ondoorzichtig is. H-alpha wordt niet beïnvloed door de ondoorzichtigheid van het intergalactische medium en stelt astronomen dus in staat om stervorming in deze vroege sterrenstelsels te bestuderen.

MIRI is een belangrijk instrument voor dit onderzoek, net als een van de andere vier instrumenten op Webb, NIRCam. Het ultradiepe MIRI-beeld dat in dit onderzoek is gebruikt, is verkregen binnen de zogeheten MIRI European Guaranteed Time. De onderzoekers gebruikten daarnaast aanvullende gegevens van het Hubble eXtreme Deep Field (XDF).

Methode
De onderzoekers zijn eerst op zoek gegaan naar stervormende sterrenstelsels die emissielijnen zouden kunnen hebben op het moment van reïonisatie, gebaseerd op hun analyse van de gevoeligere NIRCam-beelden. Daarna namen ze van deze voorgeselecteerde sterrenstelsels beelden op langere golflengten met MIRI. Ze ontdekten dat veel van hen erg helder zijn op 5,6 micron, wat aangeeft dat er een zeer prominente H-alpha-emissielijn aanwezig is in deze bronnen. Eerste auteur Pierluigi Rinaldi is erg blij met de resultaten: ‘Dit onderzoek opent de mogelijkheid om vroege sterrenstelsels te bestuderen zoals dat niet eerder mogelijk was. Het mooie is dat we hebben laten zien dat dit soort studies routinematig kan worden gedaan met JWST/MIRI.’

De astronomen willen de sterrenstelsels spectroscopisch gaan volgen met JWST. Het doel is om meer te weten te komen over de vorm van de emissielijnen van de sterrenstelsels, wat hen meer kan vertellen over de beweging van het gas en de dynamica van de stervorming.

Bron: NOVA