Snímky raných galaxií zachytené vesmírnym teleskopom Jamesa Webba odhalili neočakávanú jasnosť, čo vyvolalo otázky o našom kozmickom chápaní. Simulácie, ktoré vykonala Northwestern University, naznačujú, že jas týchto galaxií je spôsobený skôr prerušovanou tvorbou hviezd než masívnou veľkosťou, čo je v súlade so súčasnými kozmologickými modelmi.
Sú to intenzívne záblesky svetla, nie hmota, ktoré riešia nemožnú hádanku jasu.
Keď sa vedci pozreli na Vesmírny teleskop Jamesa WebbaPrvé snímky prvých galaxií vo vesmíre od JWST ich šokovali. Mladé galaxie sa zdali príliš jasné, príliš masívne a príliš zrelé na to, aby vznikli tak skoro po Veľkom tresku. Bude to, ako keď z bábätka vyrastie dospelý len za dva roky.
Dokonca úžasný objav To viedlo niektorých fyzikov k spochybneniu štandardného modelu kozmológiepremýšľal, či to má byť prevrátené alebo nie.
Jas galaxie verzus hmotnosť
Pomocou novej simulácie, a Severozápadná univerzitaTím astrofyzikov teraz zistil, že tieto galaxie pravdepodobne nie sú príliš hmotné. Hoci jasnosť galaxie je zvyčajne určená jej hmotnosťou, nové výsledky naznačujú, že menej hmotné galaxie môžu žiariť rovnako jasne z nepravidelných, brilantných výbuchov hviezd.
Tento objav nielen vysvetľuje, prečo sa malé galaxie javia tak klamlivo malé, ale zapadá aj do štandardného modelu kozmológie.
Výskum bol zverejnený 3. októbra v Astrophysical Journal Letters.
Umelcovo stvárnenie raných hviezdnych galaxií. Obrázok poskytujú údaje zo simulácie FIRE použité v tomto výskume, ktoré by mohli vysvetliť nedávne výsledky JWST. Hviezdy a galaxie sa javia ako jasne biele body svetla, zatiaľ čo tmavá hmota a difúznejšie plyny sa javia vo fialovej a červenej farbe. Zdroj: Aaron M. Geller, Severozápad, CIERA+IT-RCDS
„Objav týchto galaxií bol veľkým prekvapením, pretože boli oveľa jasnejšie, než sa očakávalo,“ povedal Claude-André Foucher-Géguier, hlavný autor štúdie z Northwestern University. „Normálne je galaxia jasná, pretože je veľká. Ale keďže tieto galaxie vznikli za kozmického úsvitu, odvtedy neuplynulo dosť času.“ veľký výbuch. Ako sa môžu tieto masívne galaxie tak rýchlo zhromaždiť? Naše simulácie ukazujú, že galaxie nemajú problém tvarovať túto jasnosť s kozmickým úsvitom.
„Kľúčom je reprodukovať dostatočné množstvo svetla v systéme v krátkom čase,“ dodal Zhao Zhao Sun, ktorý viedol štúdiu. „Mohlo by sa to stať buď preto, že systém je skutočne masívny, alebo preto, že má schopnosť rýchlo produkovať veľa svetla. V druhom prípade systém nemusí byť taký masívny. Ak dôjde k tvorbe hviezd v zábleskoch, bude vyžarovať záblesky svetla.“ Preto vidíme toľko veľmi jasných galaxií.
Faucher Giguere je docentom fyziky a astronómie na Northwestern University Weinberg College of Arts and Sciences A členom Interdisciplinárne výskumné a výskumné centrum v astrofyzike (Chôdza). Sun je postdoktorandkou CIERA na Northwestern University.
Pochopenie kozmického úsvitu
Obdobie trvajúce približne 100 miliónov rokov až miliardu rokov po Veľkom tresku je pre kozmický úsvit charakteristické vznikom prvých hviezd a galaxií vo vesmíre. Predtým, ako bol vesmírny teleskop Jamesa Webba vypustený do vesmíru, astronómovia o tomto starovekom období vedeli veľmi málo.
„Vesmírny teleskop Jamesa Webba nám priniesol veľa poznatkov o kozmickom úsvite,“ povedal Sun. „Pred vesmírnym teleskopom Jamesa Webba bola väčšina našich vedomostí o ranom vesmíre špekuláciami založenými na údajoch z veľmi malého počtu zdrojov. S obrovským nárastom pozorovacej sily môžeme vidieť fyzikálne detaily o galaxiách a použiť silné pozorovacie dôkazy na štúdium fyziky pochopiť, čo sa deje.“
Pokročilá simulácia a výsledky
V novej štúdii Sun, Foucher-Géger a ich tím použili pokročilé počítačové simulácie na modelovanie toho, ako sa galaxie vytvorili bezprostredne po Veľkom tresku. Simulácie vytvorili kozmické galaxie úsvitu, ktoré boli rovnako jasné ako tie, ktoré pozoroval vesmírny teleskop Jamesa Webba. Simulácie sú súčasťou Spätná väzba z relatívnych prostredí Projekt FIRE, ktorý Faucher-Géger spoluzakladal so spolupracovníkmi v Caltech, Princetonská univerzitaa Kalifornská univerzita v San Diegu. Nová štúdia zahŕňa spolupracovníkov z Centra pre výpočtovú astrofyziku Flatiron Institute, Massachusettského technologického inštitútu a Kalifornskej univerzity v Davise.
Simulácie FIRE kombinujú astrofyzikálnu teóriu s pokročilými algoritmami na modelovanie formovania galaxií. Tieto modely umožňujú výskumníkom preskúmať, ako sa galaxie formujú, rastú a menia tvar, berúc do úvahy energiu, hmotnosť, hybnosť a chemické prvky vracajúce sa z hviezd.
Keď Sun, Fouché-Géger a ich tím vykonali simulácie na modelovanie raných galaxií, ktoré sa vytvorili za kozmického úsvitu, zistili, že hviezdy sa formovali pri výbuchoch – koncept známy ako „výbušná formácia hviezd“. V masívnych galaxiách ako napr mliečna dráhaHviezdy vznikajú konštantnou rýchlosťou, pričom počet hviezd sa časom postupne zvyšuje. K takzvanej explozívnej tvorbe hviezd však dochádza, keď sa hviezdy tvoria v striedavom vzore – veľa hviezd naraz, po ktorých nasledujú milióny rokov veľmi málo nových hviezd a potom opäť veľa hviezd.
„Výbušná tvorba hviezd je obzvlášť bežná v galaxiách s nízkou hmotnosťou, “ povedal Faucher-Géger. „Podrobnosti o tom, prečo sa to deje, sú stále predmetom prebiehajúceho výskumu. Ale myslíme si, že sa stane to, že dôjde k výbuchu hviezd a potom o niekoľko miliónov rokov neskôr tieto hviezdy explodujú ako supernovy. Plyn je vypudený a potom sa vracia späť do vytvárajú nové hviezdy, čo vedie k cyklu tvorby hviezd. Keď sa však galaxie stanú dostatočne hmotnými, majú oveľa silnejšiu gravitáciu. Keď explodujú supernovy, nie sú dostatočne silné na to, aby vytlačili plyn zo systému. Gravitácia drží galaxiu pohromade a dáva ju do stabilný stav.
Svetlé galaxie a model vesmíru
Simulácie boli tiež schopné vytvoriť rovnaké množstvo jasných galaxií, ktoré zachytil vesmírny teleskop Jamesa Webba. Inými slovami, počet jasných galaxií predpovedaných simuláciami zodpovedá počtu pozorovaných jasných galaxií.
Hoci iní astrofyzici predpokladali, že za nezvyčajnú jasnosť galaxií pri kozmickom úsvite môže byť zodpovedný explodujúci vznik hviezd, výskumníci z Northwestern University sú prví, ktorí použili podrobné počítačové simulácie, aby dokázali, že je to možné. Dokázali to urobiť bez pridania nových faktorov, ktoré nezodpovedajú nášmu štandardnému modelu vesmíru.
„Väčšina svetla v galaxii pochádza z najhmotnejších hviezd,“ povedal Faucher-Géger. „Pretože masívnejšie hviezdy horia vyššou rýchlosťou, majú kratšiu životnosť. Pri jadrových reakciách rýchlo spotrebúvajú palivo. Jasnosť galaxie preto priamo súvisí s počtom hviezd, ktoré vznikli za posledných pár rokov.“ miliónov rokov ako na hmotnosť galaxie ako celku.“
Referencia: „Tvorba výbušných hviezd prirodzene vysvetľuje množstvo jasných galaxií za kozmického úsvitu“ od Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier a Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel a Rachel K. Cochrane, 3. október 2023, k dispozícii tu. Astrophysical Journal Letters.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a
Štúdia bola predtým podporovaná NASA A Národná vedecká nadácia.
