Intensywne błyski światła, a nie masa, rozwiązują zagadkę ogromnej jasności wczesnych galaktyk.
Gdy naukowcy zobaczyli pierwsze zdjęcia najwcześniejszych galaktyk Wszechświata wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), byli zaskoczeni. Okazało się, że młode galaktyki były zbyt jasne, zbyt masywne i zbyt dojrzałe, aby mogły powstać tak szybko po Wielkim Wybuchu – tak jakby niemowlę wyrosłoby na dorosłego w ciągu zaledwie kilku lat. To zaskakujące odkrycie skłoniło niektórych fizyków do podważenia standardowego modelu kosmologicznego i zastanowienia się, czy nie powinien on ulec zmianie.
Zespół astrofizyków z Northwestern University w Evanston w stanie Illinois, korzystając z nowych symulacji, odkrył, że galaktyki te prawdopodobnie nie są tak masywne, jak początkowo sądzono. Choć jasność galaktyki zazwyczaj wiąże się z jej masą, nowe odkrycia sugerują, że galaktyki o mniejszej masie mogą świecić równie jasno dzięki nieregularnym i silnym wybuchom gwiazdotwórczym. Odkrycie to nie tylko wyjaśnia, dlaczego młode galaktyki wydają się zwodniczo masywne, ale także pasuje do standardowego modelu kosmologicznego.
Wyniki zostały opublikowane 3 października 2023 roku w „The Astrophysical Journal Letters”.
Odkrycie tych galaktyk było dużym zaskoczeniem, ponieważ były one znacznie jaśniejsze niż przewidywano – powiedział Claude-André Faucher-Giguère z Northwestern University, jeden z głównych autorów badania. Zazwyczaj galaktyka jest jasna, ponieważ jest duża. Ale ponieważ te galaktyki powstały u kosmicznego zarania, od Wielkiego Wybuchu nie minęło wystarczająco dużo czasu. Jak tak masywne galaktyki mogły powstać tak szybko? Nasze symulacje pokazują, że galaktyki nie mają problemu z uzyskaniem takiej jasności przed kosmicznym świtem.
Kluczem jest odtworzenie wystarczającej ilości światła w systemie w krótkim czasie – dodał Guochao Sun, który kierował badaniem. Może się to zdarzyć albo dlatego, że system jest naprawdę masywny, albo dlatego, że ma zdolność do szybkiego wytwarzania dużej ilości światła. W tym drugim przypadku układ nie musi być aż tak masywny. Jeżeli formowanie się gwiazd odbywa się w seriach, będą one emitować błyski światła. Dlatego widzimy kilka bardzo jasnych galaktyk.
Okres po Wielkim Wybuchu, trwający od około stu milionów do miliarda lat, nazywany kosmicznym świtem, był czasem, w którym powstawały pierwsze gwiazdy i galaktyki we Wszechświecie. Przed wystrzeleniem JWST astronomowie mieli bardzo niewielką wiedzę na temat tej starożytnej epoki.
Teleskop ten dostarczył nam niezwykłej wiedzy na temat „kosmicznego świtu” – powiedział Sun. Przed pojawieniem się JWST większość naszej wiedzy na temat wczesnego Wszechświata opierała się na spekulacjach opartych na danych pochodzących z wielu różnych źródeł. Dzięki ogromnemu wzrostowi mocy obserwacyjnej jesteśmy teraz w stanie dostrzec fizyczne szczegóły galaktyk i wykorzystać te solidne dowody obserwacyjne do badania fizyki i zrozumienia, jakie zjawiska mają miejsce.
W najnowszym badaniu Sun, Faucher-Giguère i ich zespół wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe do modelowania procesu formowania się galaktyk tuż po Wielkim Wybuchu. Symulacje te doprowadziły do ustalenia sposobu powstania galaktyk kosmicznego świtu, które wykazywały równie intensywne jasności, co te obserwowane przez JWST.
Symulacje FIRE łączą teorię astrofizyczną z zaawansowanymi algorytmami, aby umożliwić modelowanie procesu formowania się galaktyk. Modele te pozwalają badaczom ustalić, jak galaktyki powstają, rosną i zmieniają kształt, biorąc pod uwagę energię, masę, pęd i pierwiastki chemiczne, które są wytwarzane przez gwiazdy.
Kiedy Sun, Faucher-Giguère i ich zespół przeprowadzali symulacje mające na celu modelowanie wczesnych galaktyk powstałych na początku kosmosu, odkryli, że gwiazdy formowały się poprzez serię wybuchów, co jest znane jako „gwałtowne formowanie się gwiazd”. W przypadku masywnych galaktyk, takich jak Droga Mleczna, gwiazdy tworzą się równomiernie i ich liczba stopniowo wzrasta wraz z upływem czasu. Jednak w przypadku gwałtownego formowania się gwiazd proces ten zachodzi naprzemiennie – powstaje wiele gwiazd naraz, a następnie przez miliony lat powstaje bardzo niewiele nowych, po czym znowu następuje faza intensywnego tworzenia się gwiazd.
Wybuchowe powstawanie gwiazd jest powszechne w galaktykach o niskiej masie – powiedział Faucher-Giguère. Szczegóły tego, dlaczego tak się dzieje, są nadal przedmiotem badań. Sądzimy jednak, że powstaje wiele gwiazd, które kilka milionów lat później eksplodują jako supernowe. Gaz zostaje wyrzucony na zewnątrz, a następnie opada z powrotem, tworząc nowe gwiazdy, co napędza cykl formowania się gwiazd. Ale gdy galaktyki stają się wystarczająco masywne, mają znacznie silniejszą grawitację. Gdy wybuchają supernowe, nie są one wystarczająco silne, aby wyrzucić gaz z układu. Grawitacja utrzymuje galaktykę razem i doprowadza ją do stabilnego stanu.
Symulacje były również w stanie wygenerować taką samą liczbę jasnych galaktyk, jaką obserwuje JWST. Innymi słowy, liczba jasnych galaktyk przewidzianych przez symulacje jest zgodna z liczbą jasnych galaktyk obserwowanych przez JWST.
Chociaż inni astrofizycy wysunęli hipotezę, że gwałtowne formowanie się gwiazd może być odpowiedzialne za niezwykłą jasność galaktyk kosmicznego świtu, naukowcy z Northwestern University jako pierwsi wykorzystali szczegółowe symulacje komputerowe, aby udowodnić, że jest to możliwe – vo więcej, dokonali tego bez dodawania nowych czynników, które są sprzeczne z naszym standardowym modelem Wszechświata.
Większość światła w galaktyce pochodzi od najbardziej masywnych gwiazd – powiedział Faucher-Giguère. Ponieważ masywniejsze gwiazdy spalają się z większą prędkością, ich czas życia jest krótszy. Szybko zużywają swoje paliwo w reakcjach jądrowych. Tak więc jasność galaktyk jest bezpośrednio związana z liczbą gwiazd, które powstały w ciągu ostatnich kilku milionów lat, niż z masą galaktyki jako całości.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Bursts of star formation explain mysterious brightness at cosmic dawn
- Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn
Źródło: Northwestern University
Na ilustracji: Wizja artystyczna wczesnych galaktyk gwiazdotwórczych. Gwiazdy i galaktyki pokazane są w jasnych białych punktach światła, podczas gdy bardziej rozproszona ciemna materia i gaz są pokazane w fioletach i czerwieniach. Źródło: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS
