The Cosmic Gems arc is among the brightest and highly magnified galaxies observed at redshift z ∼ 10.21. However, it is an intrinsically UV faint galaxy, in the range of those now thought to drive the reionization of the universe2–4. Hitherto the smallest features resolved in a galaxy at a comparable redshift are between a few hundreds and a few tens of parsecs5,6. Here we report JWST observations of the Cosmic Gems. The light of the galaxy is resolved into five star clusters located in a region smaller than 70 parsec. They exhibit minimal dust attenuation and low metallicity, ages younger than 50 Myr and intrinsic masses of ∼ 106 M⊙. Their lensing-corrected sizes are approximately 1 pc, resulting in stellar surface densities near 105 M⊙ /pc2, three orders of magnitude higher than typical young star clusters in the local universe7. Despite the uncertainties inherent to the lensing model, they are consistent with being gravitationally bound stellar systems, i.e., proto-globular clusters (proto-GCs). We conclude that star cluster formation and feedback likely contributed to 3 shape the properties of galaxies during the epoch of reionization.

We report the detection of a population of Wolf-Rayet (WR) stars in the Sunburst Arc, a strongly gravitationally lensed galaxy at redshift $z=2.37$. As the brightest known lensed galaxy, the Sunburst Arc has become an important cosmic laboratory for studying star and cluster formation, Lyman alpha (Lyalpha ) radiative transfer, and Lyman continuum (LyC) escape. Here, we present the first results of JWST/NIRSpec IFU observations of the Sunburst Arc, focusing on a stacked spectrum of the 12-fold imaged Sunburst LyC-emitting (LCE) cluster. In agreement with previous studies, we find that the Sunburst LCE cluster is a very massive, compact star cluster with $M_ dyn M_ odot $. Our age estimate of 4.2–4.5 Myr is much larger than the crossing time of $t_ cross 9 $ kyr, indicating that the cluster is dynamically evolved and consistent with it being gravitationally bound. We find a significant nitrogen enhancement of the low ionization state interstellar medium (ISM), with \( 0.09\), which is \( 0.8\) dex above typical values for H\ ii regions of a similar metallicity in the local Universe. We find broad stellar emission complexes around He\ ii 4686$ and C\ iv 5808$ with associated nitrogen emission; this is the first time WR signatures have been directly observed at redshifts above $ 0.5$. The strength of the WR signatures cannot be reproduced by stellar population models that only include single-star evolution. While models with binary evolution better match the WR features, they still struggle to reproduce the nitrogen-enhanced WR features. JWST reveals the Sunburst LCE cluster to be a highly ionized proto-globular cluster with low oxygen abundance and extreme nitrogen enhancement that hosts a population of WR stars, likely including a previously suggested population of very massive stars (VMSs), which together are rapidly enriching the surrounding medium.

Abstract We present JWST/NIRSpec prism spectroscopy of MACS0647−JD, a triply lensed z ∼ 11 candidate discovered in Hubble Space Telescope imaging and spatially resolved by JWST imaging into two components, A and B. Spectroscopy of component A yields a spectroscopic redshift z = 10.17 based on seven detected emission lines: C iii ] λ λ 1907, 1909, [O ii ] λ 3727, [Ne iii ] λ 3869, [Ne iii ] λ 3968, H δ λ 4101, H γ λ 4340, and [O iii ] λ 4363. These are the second-most distant detections of these emission lines to date, in a galaxy observed just 460 million years after the Big Bang. Based on observed and extrapolated line flux ratios we derive a gas-phase metallicity 12 + log(O/H) ∼ 7.5–8.0, or Z ∼ (0.06–0.2) Z ⊙ , ionization parameter log ( U ) = −1.9 ± 0.2, and an ionizing photon production efficiency log ( ξ ion ) = 25.2 ± 0.2  erg −1 Hz. The spectrum has a softened Ly α break, evidence for a strong Ly α damping wing. The Ly α damping wing also suppresses the F150W photometry, explaining the slightly overestimated photometric redshift z = 10.6 ± 0.3. MACS0647−JD has a stellar mass log( M / M ⊙ ) = 8.1 ± 0.3, including ∼6 × 10 7 M ⊙ in component A, most of which formed recently (within ∼20 Myr) with a star formation rate ∼ 2 ± 1 M ⊙ yr −1 , all within an effective radius 70 ± 24 pc. Spectroscopy of a fainter companion galaxy C separated by a distance of ∼ 3 kpc reveals a Lyman break consistent with z ∼ 10.17. MACS0647−JD is likely the most distant galaxy merger known.

ABSTRACT Cosmological analyses using galaxy clusters in optical/near-infrared photometric surveys require robust characterization of their galaxy content. Precisely determining which galaxies belong to a cluster is crucial. In this paper, we present the COlor Probabilistic Assignment of Clusters And BAyesiaNAnalysis (Copacabana) algorithm. Copacabana computes membership probabilities for all galaxies within an aperture centred on the cluster using photometric redshifts, colours, and projected radial probability density functions. We use simulations to validate Copacabana and we show that it achieves up to 89 per cent membership accuracy with a mild dependence on photometric redshift uncertainties and choice of aperture size. We find that the precision of the photometric redshifts has the largest impact on the determination of the membership probabilities followed by the choice of the cluster aperture size. We also quantify how much these uncertainties in the membership probabilities affect the stellar mass–cluster mass scaling relation, a relation that directly impacts cosmology. Using the sum of the stellar masses weighted by membership probabilities ($\rm \mu _{\star }$) as the observable, we find that Copacabana can reach an accuracy of 0.06 dex in the measurement of the scaling relation at low redshift for a Legacy Survey of Space and Time type survey. These results indicate the potential of Copacabana and $\rm \mu _{\star }$ to be used in cosmological analyses of optically selected clusters in the future.