MACS J0454.1-0300: Webbs bilde av en gyllen galaksehop som bøyer lyset fra fjernere galakser

Den gylne hopen og de oransje buene

De gylne galaksene spredt utover bildet hører til MACS J0454.1-0300. Vi ser hopen slik den var da universet var omtrent 8 milliarder år gammelt, så lyset har vært underveis i litt under 6 milliarder år. Det tallet har vi regnet ut selv (13,8 minus 8 er 5,8); det kommer ikke fra ESA. De gylne er elliptiske galakser, og den største og klareste av dem ligger i midten.

Den gylne fargen har en fysisk forklaring, selv om fargene i bildet er valgt. Elliptiske galakser har lite gass igjen til å danne nye stjerner, så lyset deres kommer for det meste fra gamle, kjølige stjerner, og slike stjerner stråler mer ved lengre bølgelengder. Bildet er satt sammen av ti bånd fra 0,9 til 4,4 mikrometer, nesten alle infrarøde, og jo lengre bølgelengde, desto rødere farge får båndet i bildet. Derfor blir slike galakser gylne.

De oransje buene til venstre hører ikke til hopen. Det er galakser som ligger mye lenger borte, og gravitasjonen fra hopen får dem til å se ut som langstrakte buer. Samtidig har utvidelsen av universet forskjøvet lyset deres mot rødere bølgelengder. Webb er langt mer følsom enn Hubble for slikt lys, og derfor viser bildet hundrevis av galakser som ikke synes på et Hubble-bilde av den samme hopen fra 2014.

Slik forstørrer en galaksehop – og hvor tallet 300 kommer fra

En galaksehop har enorm masse, og masse bøyer lysets vei. Når hopen og en galakse bak den står nær nok på linje, kan lyset fra bakgrunnsgalaksen nå fram til oss langs flere bøyde veier. Da oppstår det buer og iblant flere bilder av det samme objektet. Fire eller flere bilder av én galakse krever at alt står svært nøyaktig på linje, og ifølge ESA/Webb skjer det bare i 10–20 % av galaksehopene.

En gravitasjonslinse endrer ikke overflatelysstyrken, altså hvor lys hver del av kilden er, men den strekker kilden ut over et større område av himmelen. Forstørrelsen er arealet av bildet delt på arealet av kilden, så et bilde med 300 ganger så stort areal samler 300 ganger så mye lys. Forstørrelsen er størst nær bestemte linjer på himmelen, som kalles kritiske kurver. For en tenkt kilde uten utstrekning, et rent punkt, gir teorien ubegrenset forstørrelse der. En virkelig kilde har en viss størrelse, så forstørrelsen blir aldri uendelig, men jo mindre kilden er, desto større kan forstørrelsen bli. Derfor gjelder de største tallene små klumper, ikke hele galakser.

Tallet 300 gjelder små, lyse klumper i bakgrunnsgalaksene, noen så små som 5 lysår på tvers. I noen tilfeller er de forstørret mer enn 300 ganger. Slik kan Webb studere objekter som er for lyssvake til at teleskopet ville ha oppdaget dem med speilet sitt på 6,5 meter alene.

Hva feltet viser, og hva som kommer

I feltet finnes flere bilder av galakser fra det unge universet: en gruppe vi ser slik den var 2 milliarder år etter Big Bang, og en enkelt galakse bare 800 millioner år etter. Galaksene i gruppen ser ut til å holde på å smelte sammen, og trolig er det dette som har satt i gang en periode med kraftig stjernedannelse. Forskerne fant to tilfeller i MACS J0454.1-0300 der hopen og en galakse bak den står så nøyaktig på linje at vi ser fire eller flere bilder av samme galakse. Det er første gang en slik sjelden oppstilling er sett mer enn én gang i samme galaksehop.

Dataene kommer fra to Webb-programmer. Det ene ledes av L. Furtak (program 5058) og leter etter enkeltstjerner forstørret av gravitasjonslinser i universets første milliard år. Her skal programmet følge med på én av galaksene bak hopen over tid for å fange opp enkeltstjerner som blir enormt forstørret. Det arbeidet gjenstår, og ESA/Webb melder ennå ingen resultater. Det andre ledes av S. Fujimoto (program 6882) og har som mål å observere et stort utvalg galaksehoper i mange bølgelengder for å finne ut hvordan stjernedannelsen kom i gang i tidlige galakser.

Hvor den står, og hva du kan se selv

Hopen står i Orion, med rektascensjon 4 h 54 min og deklinasjon −3° (himmelens svar på lengde- og breddegrad), like sør for himmelekvator. Derfor kan den ses fra begge halvkuler. Fra Oslo kommer den på det høyeste omtrent 27° over horisonten i sør. I begynnelsen av desember står den rett overfor Sola på himmelen, og da er den høyest rundt midnatt.

Å se den selv er en annen sak. Databasen SIMBAD oppgir den klareste galaksen i hopen til størrelsesklasse 18,1 i det nærinfrarøde I-båndet, og ingen galakse i hopen har en oppført visuell (V) størrelsesklasse som er klarere enn 19. Så svake galakser kan ikke øyet se i et amatørteleskop: etter en vanlig tommelfingerregel når et teleskop på 40 cm ned til omtrent størrelsesklasse 15, og størrelsesklasse 19 er rundt 40 ganger svakere. Buene fra gravitasjonslinsen ser vi takket være Webbs følsomhet for infrarødt lys – i et okular vil de aldri vise seg.