Astrofizicienii explică strălucirea „imposibilă” a zorilor cosmice

Sclipiri intense de lumină, nu masă, rezolvă imposibilul puzzle de luminozitate.

Când oamenii de știință s-au uitat la Telescopul spațial James WebbPrimele imagini ale lui JWST cu primele galaxii ale universului i-au șocat. Galaxiile tinere păreau prea luminoase, prea masive și prea mature pentru a se fi format atât de curând după Big Bang. Va fi ca un bebeluș care devine adult în doar doi ani.

Chiar și o descoperire uimitoare Acest lucru i-a determinat pe unii fizicieni să pună la îndoială modelul standard al cosmologieiîntrebându-mă dacă ar trebui să fie răsturnat sau nu.

Luminozitatea galaxiei față de masă

Folosind o nouă simulare, a Universitatea NorthwesternO echipă de astrofizicieni a descoperit acum că aceste galaxii probabil nu sunt foarte masive până la urmă. Deși luminozitatea unei galaxii este de obicei determinată de masa acesteia, noi rezultate sugerează că galaxiile mai puțin masive pot străluci la fel de puternic din exploziile neregulate și strălucitoare de formare stelară.

Această descoperire nu numai că explică de ce galaxiile mici par atât de înșelător de mici, dar se încadrează și în modelul standard al cosmologiei.

Cercetarea a fost publicată pe 3 octombrie în Scrisori din jurnalul astrofizic.

Redarea artistică a galaxiilor stelare timpurii. Imaginea este furnizată de datele de simulare FIRE utilizate în această cercetare care ar putea explica rezultatele recente JWST. Stelele și galaxiile apar ca puncte de lumină albe strălucitoare, în timp ce materia întunecată și gazele mai difuze apar în violet și roșu. Sursa: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA+IT-RCDS

„Descoperirea acestor galaxii a fost o mare surpriză, deoarece au fost mult mai strălucitoare decât se aștepta”, a spus Claude-André Foucher-Géguier, autorul principal al studiului de la Universitatea Northwestern. „În mod normal, o galaxie este strălucitoare pentru că este mare. Dar pentru că aceste galaxii s-au format în zorii cosmici, nu a trecut suficient timp de atunci.” marea explozie. Cum se pot asambla aceste galaxii masive atât de repede? Simulările noastre arată că galaxiile nu au nicio problemă să modeleze această strălucire odată cu zorii cosmici.

„Cheia este de a reproduce o cantitate suficientă de lumină în sistem într-o perioadă scurtă de timp”, a adăugat Zhao Zhao Sun, care a condus studiul. „Acest lucru s-ar putea întâmpla fie pentru că sistemul este cu adevărat masiv, fie pentru că are capacitatea de a produce rapid multă lumină. În acest ultim caz, sistemul nu trebuie să fie atât de masiv. Dacă formarea stelelor are loc în explozii, va emite sclipiri de lumină.” De aceea vedem atât de multe galaxii foarte strălucitoare.

Faucher Giguere este profesor asociat de fizică și astronomie la Universitatea Northwestern Colegiul de Arte și Științe Weinberg Și un membru al Centru interdisciplinar de explorare și cercetare în astrofizică (Mers pe jos). Sun este bursier postdoctoral CIERA la Universitatea Northwestern.

Înțelegerea zorilor cosmice

O perioadă care durează de la aproximativ 100 de milioane de ani până la un miliard de ani după Big Bang, zorii cosmici se caracterizează prin formarea primelor stele și galaxii din univers. Înainte ca telescopul spațial James Webb să fie lansat în spațiu, astronomii știau foarte puține despre această perioadă străveche.

„Telescopul spațial James Webb ne-a adus multe cunoștințe despre zorii cosmici”, a spus Sun. „Înainte de telescopul spațial James Webb, majoritatea cunoștințelor noastre despre universul timpuriu erau speculații bazate pe date din foarte puține surse. Odată cu creșterea uriașă a puterii de observare, putem vedea detalii fizice despre galaxii și putem folosi dovezi observaționale puternice pentru a studia fizica înțelege ce se întâmplă.”

Simulare avansată și rezultate

În noul studiu, Sun, Foucher-Géger și echipa lor au folosit simulări avansate pe computer pentru a modela modul în care galaxiile s-au format imediat după Big Bang. Simulările au produs galaxii cosmice care au fost la fel de strălucitoare ca cele observate de telescopul spațial James Webb. Simulările fac parte din Feedback din medii relative Proiectul FIRE, pe care Faucher-Géger l-a co-fondat împreună cu colaboratorii de la Caltech, Universitatea Princetonși Universitatea din California, San Diego. Noul studiu include colaboratori de la Centrul pentru Astrofizică Computațională al Institutului Flatiron, Institutul de Tehnologie din Massachusetts și Universitatea din California, Davis.

Simulările FIRE combină teoria astrofizică cu algoritmi avansați pentru a modela formarea galaxiilor. Aceste modele le permit cercetătorilor să exploreze modul în care galaxiile se formează, cresc și își schimbă forma, ținând cont de energia, masa, impulsul și elementele chimice care se întorc din stele.

Când Sun, Fouché-Géger și echipa lor au efectuat simulări pentru a modela galaxiile timpurii care s-au format în zorii cosmici, ei au descoperit că stelele s-au format în explozii – un concept cunoscut sub numele de „formație stelară explozivă”. În galaxii masive precum calea lacteeStelele se formează într-un ritm constant, numărul de stele crescând treptat în timp. Dar așa-numita formare a stelelor explozive are loc atunci când stelele se formează într-un model alternativ – multe stele deodată, urmate de milioane de ani de foarte puține stele noi și apoi din nou multe stele.

„Formarea stelelor explozive este deosebit de comună în galaxiile de masă mică”, a spus Faucher-Géger. „Detaliile despre motivul pentru care se întâmplă acest lucru sunt încă subiectul cercetărilor în curs. Dar ceea ce credem că se întâmplă este că se formează o explozie de stele, iar apoi câteva milioane de ani mai târziu, acele stele explodează ca supernove. Gazul este expulzat și apoi revine în formează noi stele, ducând la ciclul de formare a stelelor. Dar când galaxiile devin suficient de masive, au o gravitație mult mai puternică. Când supernovele explodează, nu este suficient de puternică pentru a forța gazul să iasă din sistem. Gravitația ține galaxia împreună și o plasează într-un stare stabilă.

Galaxii strălucitoare și modelul universului

De asemenea, simulările au putut produce aceeași abundență de galaxii luminoase detectate de telescopul spațial James Webb. Cu alte cuvinte, numărul de galaxii luminoase prezis de simulări se potrivește cu numărul de galaxii luminoase observate.

Deși alți astrofizicieni au emis ipoteza că formarea stelelor explozive ar putea fi responsabilă pentru luminozitatea neobișnuită a galaxiilor în zorii cosmice, cercetătorii de la Universitatea Northwestern sunt primii care folosesc simulări detaliate pe computer pentru a demonstra că este posibil. Ei au reușit să facă acest lucru fără a adăuga noi factori care nu se potrivesc cu modelul nostru standard al universului.

„Majoritatea luminii din galaxie provine de la cele mai masive stele”, a spus Faucher-Géger. „Deoarece stele mai masive ard cu o viteză mai mare, au o durată mai scurtă de viață. Își consumă rapid combustibilul în reacțiile nucleare. Prin urmare, luminozitatea unei galaxii este mai direct legată de numărul de stele care s-au format în ultimele câteva. milioane de ani decât la masa galaxiei în ansamblu.”

Referință: „Formarea stelară explozivă explică în mod natural abundența galaxiilor strălucitoare în zorii cosmici” de Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier și Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel și Rachel K. Cochrane, 3 octombrie 2023, disponibil aici. Scrisori din jurnalul astrofizic.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

Studiul a fost susținut anterior NASA Și Fundația Națională de Știință.