MACS J0454.1-0300: Webb kuvasi kultaisen galaksijoukon ja sen gravitaatiolinssin kaaret

Kultainen joukko ja venyneet oranssit kaaret

Kuvassa kaikkialla näkyvät kullanväriset galaksit kuuluvat MACS J0454.1-0300 -joukkoon. Näemme joukon sellaisena kuin se oli, kun maailmankaikkeus oli noin 8 miljardia vuotta vanha, joten sen valo on ollut matkalla vajaat 6 miljardia vuotta. Luku on oma laskelmamme (13,8 miinus 8 on 5,8), ei ESAn ilmoittama. Kullanväriset galaksit ovat elliptisiä galakseja, ja suurin ja kirkkain niistä on keskellä.

Kultaiselle sävylle on fysikaalinen syy, vaikka kuvan värit onkin valittu. Elliptisissä galakseissa on vähän kaasua, josta voisi syntyä uusia tähtiä, joten niiden valo tulee enimmäkseen vanhoista, viileistä tähdistä. Tällaiset tähdet säteilevät enemmän valoa pitkillä aallonpituuksilla. Kuva on koottu kymmenestä kaistasta 0,9–4,4 mikrometrin alueelta, ja lähes kaikki niistä ovat infrapunaa. Pidemmät aallonpituudet näytetään punaisempina, ja siksi elliptiset galaksit näkyvät kuvassa kullanvärisinä.

Vasemmalla näkyvät oranssit kaaret eivät kuulu joukkoon. Ne ovat paljon kauempana olevia galakseja, joiden kuvat joukon painovoima on venyttänyt kaariksi. Lisäksi avaruuden laajeneminen on pidentänyt niiden valon aallonpituuksia, joten valo on siirtynyt punaisemmaksi. Webb on tällaiselle valolle paljon herkempi kuin Hubble, ja siksi sen kuvassa näkyy satoja galakseja, jotka puuttuvat Hubblen vuonna 2014 samasta joukosta ottamasta kuvasta.

Miten galaksijoukko suurentaa ja mistä luku 300 tulee

Galaksijoukossa on valtavasti massaa, ja massa taivuttaa valon kulkureittiä. Kun joukko ja sen takana oleva galaksi ovat riittävän tarkasti samassa linjassa, galaksin valo voi saapua luoksemme usean taipuneen reitin kautta. Tuloksena on kaaria ja joskus useita kuvia samasta kohteesta. Jotta samasta galaksista syntyisi neljä kuvaa tai enemmän, kohteiden on oltava hyvin tarkasti linjassa, ja ESA/Webbin mukaan näin on vain 10–20 %:ssa galaksijoukoista.

Gravitaatiolinssi ei tee taustagalaksin pinnasta yhtään kirkkaampaa, mutta se venyttää galaksin kuvan suuremmalle alalle taivaalla. Suurennus on kuvan pinta-ala taivaalla jaettuna sillä pinta-alalla, jonka kohde peittäisi ilman linssiä, joten kuva, jonka pinta-ala on 300-kertainen, kerää 300 kertaa enemmän valoa. Suurennus on suurimmillaan lähellä taivaalle piirtyviä viivoja, joita kutsutaan kriittisiksi käyriksi. Teorian mukaan idealisoitu pistemäinen kohde suurenisi niiden kohdalla rajattomasti. Todellisella kohteella on kuitenkin jokin koko, joten sen suurennuskin jää rajalliseksi, ja mitä pienempi kohde on, sitä suuremmaksi suurennus voi kasvaa. Siksi suurimmat luvut koskevat pieniä tihentymiä eivätkä kokonaisia galakseja.

Luku 300 tulee linssin suurentamien taustagalaksien pienistä kirkkaista tihentymistä. Pienimmät niistä ovat läpimitaltaan vain 5 valovuotta, ja joissakin tapauksissa ne näkyvät yli 300-kertaisesti suurennettuina. Linssin avulla Webb voi tutkia kohteita, jotka olisivat muuten liian himmeitä sen 6,5-metriselle peilille.

Mitä kenttä kertoo ja mitä on tulossa

Kuvakentässä näkyy useina kuvina nuoren maailmankaikkeuden galakseja: galaksiryhmä, jonka näemme sellaisena kuin se oli 2 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, ja yksittäinen galaksi vain 800 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Ryhmän galaksit näyttävät olevan sulautumassa yhteen, mikä on ilmeisesti käynnistänyt kiivaan tähtienmuodostusvaiheen. Tutkijat löysivät MACS J0454.1-0300 -joukosta kaksi harvinaista asetelmaa, joissa samasta galaksista näkyy neljä kuvaa tai enemmän. Aiemmin samasta galaksijoukosta ei ole löytynyt tällaista asetelmaa kahta kertaa.

Aineisto on peräisin kahdesta Webbin havainto-ohjelmasta. L. Furtakin johtama ohjelma 5058 etsii yksittäisiä linssin suurentamia tähtiä maailmankaikkeuden ensimmäiseltä miljardilta vuodelta. Ohjelman on tarkoitus seurata tässä kentässä yhtä linssin suurentamaa galaksia ja etsiä siitä valtavasti suurennettuja yksittäisiä tähtiä. Seuranta on vielä edessä, eikä tiedotteessa kerrota tuloksia. S. Fujimoton johtaman ohjelman 6882 tavoitteena on havaita suuri määrä galaksijoukkoja monilla aallonpituuksilla ja selvittää, miten tähtien syntyminen alkoi varhaisissa galakseissa.

Missä joukko on ja mitä voit nähdä itse

Joukko on Orionin tähdistössä. Sen rektaskensio on 4 h 54 min ja deklinaatio −3°; nämä koordinaatit vastaavat taivaalla maantieteellistä pituutta ja leveyttä. Joukko on aivan taivaanekvaattorin eteläpuolella, joten se näkyy kummaltakin pallonpuoliskolta. Helsingin leveydeltä se nousee korkeimmillaan noin 27°:n korkeudelle eteläisen horisontin yläpuolelle. Joulukuun alussa joukko on taivaalla Aurinkoa vastapäätä, joten se on ylimmillään keskiyön tienoilla.

Omin silmin näkeminen on kuitenkin eri asia. SIMBAD-tietokannan mukaan joukon kirkkaimman galaksin magnitudi on 18,1 lähi-infrapunan I-kaistalla, eikä yhdellekään joukon galaksille ole merkitty visuaalista (V) magnitudia, joka olisi kirkkaampi kuin 19. Näin himmeitä galakseja silmä ei erota harrastajan kaukoputkellakaan: yleisen nyrkkisäännön mukaan 40 senttimetrin kaukoputki yltää noin magnitudiin 15, ja magnitudin 19 kohde on noin 40 kertaa sitä himmeämpi. Linssin kaaret ovat näkyvissä Webbin infrapunaherkkyyden ansiosta, eikä okulaarissa näy niistä mitään.