MACS J0454.1-0300: Webbs bild av en gyllene galaxhop som böjer ljuset till bågar

Den gyllene hopen och de utdragna orange bågarna

De gyllene galaxerna som syns över hela bilden hör till MACS J0454.1-0300. Vi ser hopen sådan den var när universum var omkring 8 miljarder år gammalt, så dess ljus har varit på väg i knappt 6 miljarder år. Den siffran är vår egen uträkning (13,8 minus 8 är 5,8), inte ESA:s. De gyllene galaxerna är elliptiska, och den största och ljusaste av dem ligger i mitten.

Den gyllene tonen har en fysikalisk förklaring, även om själva färgerna är satta i efterhand. Elliptiska galaxer har lite gas kvar för att bilda nya stjärnor, så deras ljus kommer mest från gamla, kalla stjärnor, som sänder ut mer av sitt ljus vid längre våglängder. Bilden bygger på tio band mellan 0,9 och 4,4 mikrometer, nästan alla i det infraröda, och de längre våglängderna visas rödare. Därför blir sådana galaxer gyllene i bilden.

De orange bågarna till vänster hör inte till hopen. Det är mycket mer avlägsna galaxer, och hopens gravitation har dragit ut deras former till bågar. Universums expansion har dessutom förskjutit deras ljus mot längre och rödare våglängder. För sådant ljus är Webb betydligt känsligare än Hubble, och därför syns här hundratals galaxer som saknas på den bild som Hubble tog av samma hop år 2014.

Så förstorar en galaxhop, och varifrån siffran 300 kommer

En galaxhop har en mycket stor massa, och massa böjer ljusets väg. Om en bakgrundsgalax ligger tillräckligt nära siktlinjen mellan oss och hopen kan ljuset från den nå oss längs flera böjda vägar. Då uppstår bågar och ibland flera bilder av ett och samma objekt. Fyra eller fler bilder av en galax kräver att allt ligger mycket exakt i linje, och det sker enligt ESA/Webb i bara 10–20 % av galaxhoparna.

Linseffekten ändrar inte källans ytljusstyrka, alltså hur ljus varje del av den är, men den breder ut källan över en större yta på himlen. Förstoringen är bildens yta delad med källans yta, så en bild med 300 gånger så stor yta samlar 300 gånger så mycket ljus. Störst blir förstoringen nära vissa linjer på himlen som kallas kritiska kurvor. För en tänkt punktformig källa ger teorin där en obegränsad förstoring. En verklig källa har en viss utsträckning, så dess förstoring förblir ändlig, och ju mindre källan är, desto högre kan förstoringen bli. Därför gäller de högsta förstoringarna små fläckar och inte hela galaxer.

Siffran 300 gäller små ljusa fläckar i bakgrundsgalaxerna, en del bara 5 ljusår breda, som i vissa fall syns mer än 300 gånger förstorade. Med hjälp av linsen kan Webb studera objekt som är för ljussvaga för att teleskopets spegel på 6,5 meter ska kunna upptäcka dem på egen hand.

Vad bilden visar och vad som kommer härnäst

I fältet finns flera bilder av galaxer från det unga universum: en grupp som vi ser sådan den var 2 miljarder år efter big bang och en enskild galax från bara 800 miljoner år efter big bang. Galaxerna i gruppen tycks hålla på att smälta samman, vilket verkar ha satt i gång en kraftig våg av stjärnbildning. Forskarna hittade den här sortens ovanliga mönster av flera bilder två gånger i MACS J0454.1-0300, och det är första gången ett sådant mönster har setts mer än en gång i samma galaxhop.

Uppgifterna kommer från två observationsprogram med Webb. Det ena leds av L. Furtak (program 5058) och letar efter enskilda stjärnor från universums första miljard år som förstoras av gravitationslinser. Här ska programmet följa en av bakgrundsgalaxerna över tid för att fånga enskilda stjärnor som förstoras enormt. Den uppföljningen har inte gjorts ännu, och ESA/Webbs text om månadens bild redovisar inga resultat. Det andra programmet leds av S. Fujimoto (program 6882) och har som mål att observera ett stort urval galaxhopar vid många våglängder för att studera hur stjärnbildningen kom i gång i tidiga galaxer.

Var hopen finns och vad du själv kan se

Galaxhopen ligger i Orion, vid rektascension 4 h 54 min och deklination −3° (himlens motsvarighet till longitud och latitud), strax söder om himmelsekvatorn, och därför syns den från båda halvkloten. På Stockholms breddgrad når den som högst omkring 28° över horisonten i söder. I början av december står den mitt emot solen på himlen och är då högst upp kring midnatt.

Att se den själv är en helt annan sak. Databasen SIMBAD anger magnitud 18,1 i det närinfraröda I-bandet för hopens ljusaste galax, och ingen galax i hopen har en angiven visuell magnitud (V) som är ljusare än 19. Så ljussvaga galaxer går inte att se visuellt i amatörteleskop: enligt en vanlig tumregel når ett teleskop på 40 cm ungefär magnitud 15, och magnitud 19 är omkring 40 gånger ljussvagare. Bågarna syns tack vare Webbs känslighet för infrarött ljus. I ett okular syns de inte.