Szczegółowe zdjęcia jednej z pierwszych galaktyk pokazują, że wzrost we wczesnym Wszechświecie był znacznie szybszy niż początkowo sądzono.
Udane uruchomienie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), następcy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, przesunęło granice tego, co możemy zobaczyć.
Obserwacje wkraczają obecnie w pierwsze 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał mniej niż 5% swojego obecnego wieku. Z perspektywy ludzkiej, ten okres umieszcza Wszechświat we wczesnej fazie rozwoju, podobnej do niemowlęcia.
Jednak galaktyki, które obserwujemy, z pewnością nie są niemowlęce. Nowe obserwacje ujawniają, że istnieją galaktyki bardziej masywne i dojrzałe niż wcześniej oczekiwano w tak wczesnym okresie. To z kolei pomaga nam w rewizji naszego zrozumienia procesu formowania się i ewolucji galaktyk.
Międzynarodowy zespół badawczy przeprowadził niedawno bezprecedensowo szczegółowe obserwacje jednej z najwcześniejszych znanych galaktyk – nazwanej Gz9p3, które zostały opublikowane w Nature Astronomy.
Jej nazwa pochodzi od współpracy Glass (nazwa międzynarodowego zespołu badawczego) i faktu, że galaktyka ma przesunięcie ku czerwieni z=9,3, gdzie przesunięcie to jest jednym ze sposobów opisania odległości od obiektu – stąd G i z9p3.
Zaledwie kilka lat temu Gz9p3 pojawiła się jako pojedynczy punkt światła widziany przez HST. Jednak dzięki wykorzystaniu JWST mogliśmy obserwować ten obiekt w stanie, w jakim znajdował się 510 milionów lat po Wielkim Wybuchu, około 13 miliardów lat temu.
Odkryliśmy, że Gz9p3 była znacznie bardziej masywna i dojrzała niż oczekiwano dla tak młodego Wszechświata, posiadając już kilka miliardów gwiazd.
Bez wątpienia, najmasywniejszy obiekt potwierdzony w tym czasie został obliczony jako 10 razy masywniejszy niż jakakolwiek inna znaleziona galaktyka na tak wczesnym etapie istnienia Wszechświata.
Łącznie wyniki te sugerują, że aby galaktyka osiągnęła taki rozmiar, gwiazdy musiałyby rozwijać się znacznie szybciej i wydajniej, niż początkowo sądzono.
Najodleglejsze połączenie galaktyk we wczesnym Wszechświecie
Gz9p3 jest nie tylko masywna, ale jej złożony kształt natychmiast identyfikuje ją jako jedną z najwcześniejszych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.
Obraz JWST galaktyki pokazuje morfologię typową dla dwóch oddziałujących galaktyk. Fuzja jeszcze się nie zakończyła, ponieważ wciąż widzimy dwa składniki.
Kiedy dwa masywne obiekty łączą się w ten sposób, skutecznie wyrzucają część materii w tym procesie. Tak więc ta wyrzucona materia sugeruje, że to, co zespół zaobserwował, jest jednym z najodleglejszych połączeń, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.
Następnie ich badanie sięgnęło głębiej, aby opisać populację gwiazd tworzących łączące się galaktyki. Korzystając z JWST, byli w stanie zbadać widmo galaktyki, rozszczepiając światło w taki sam sposób, w jaki pryzmat rozszczepia białe światło na tęczę.
W przypadku korzystania wyłącznie z obrazowania, większość badań tych bardzo odległych obiektów pokazuje tylko bardzo młode gwiazdy, ponieważ młodsze gwiazdy są jaśniejsze, a zatem ich światło dominuje w danych obrazowych.
Na przykład, młoda jasna populacja powstała w wyniku połączenia galaktyk, licząca mniej niż kilka milionów lat, przyćmiewa starszą populację liczącą już ponad 100 milionów lat.
Wykorzystując technikę spektroskopii możemy uzyskać tak szczegółowe obserwacje, że możliwe jest rozróżnienie tych dwóch populacji.
Nowe modele wczesnego Wszechświata
Niezwykle dojrzała populacja starszych gwiazd nie była przewidywana, biorąc pod uwagę, jak szybko musiałyby powstać gwiazdy, aby osiągnąć tak zaawansowany wiek kosmiczny. Dzięki szczegółowej spektroskopii jesteśmy w stanie zauważyć subtelne cechy starych gwiazd, które wskazują, że ich liczba jest większa, niż sądziliśmy.
Określone pierwiastki wykryte w widmie (w tym krzem, węgiel i żelazo) ujawniają, że ta starsza populacja gwiazd musi istnieć, aby wzbogacić galaktykę w obfitość związków chemicznych.
Zaskakujący jest nie tylko rozmiar galaktyk, ale także szybkość, z jaką osiągnęły one tak dojrzały chemicznie stan.
Te obserwacje dostarczają dowodów na szybkie, wydajne gromadzenie się gwiazd i metali bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, co wiąże się z trwającymi zderzeniami galaktyk, co wskazuje, że masywne galaktyki z kilkoma miliardami gwiazd istniały wcześniej, niż sądzono.
Samotne galaktyki budują swoją populację gwiazd in situ ze swoich skończonych zbiorników gazu, jednak może to być powolny sposób wzrostu galaktyk.
Interakcje między galaktykami mogą przyciągać nowe strumienie nieskazitelnego gazu, zapewniając paliwo do szybkiego formowania się gwiazd, a fuzje zapewniają jeszcze bardziej przyspieszony kanał gromadzenia i wzrostu masy.
Największe galaktyki we współczesnym Wszechświecie mają za sobą historię fuzji, w tym nasza własna Droga Mleczna, która urosła do obecnych rozmiarów w wyniku kolejnych połączeń z mniejszymi galaktykami.
Te obserwacje Gz9p3 pokazują, że galaktyki były w stanie gromadzić masę we wczesnym Wszechświecie poprzez fuzję, z wydajnością formowania gwiazd wyższą niż się spodziewano.
Ta i inne obserwacje za pomocą JWST powodują, że astrofizycy dostosowują swoje modelowanie wczesnych lat Wszechświata.
Nasza kosmologia niekoniecznie jest błędna, ale nasze rozumienie tego, jak szybko formowały się galaktyki, prawdopodobnie jest, ponieważ są one bardziej masywne, niż kiedykolwiek sądziliśmy, że jest to możliwe.
Te nowe wyniki pojawiają się w odpowiednim momencie, gdy zbliżamy się do dwuletniego okresu obserwacji naukowych prowadzonych za pomocą JWST.
Wraz ze wzrostem całkowitej liczby obserwowanych galaktyk, astronomowie badający wczesny Wszechświat przechodzą z fazy odkryć do okresu, w którym dysponujemy wystarczająco dużymi próbkami, aby rozpocząć budowanie i udoskonalanie nowych modeli.
Nigdy nie było bardziej ekscytującego czasu, aby zrozumieć tajemnice wczesnego Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Once Just A Speck Of Light, Now Revealed As The Biggest Known Galaxy In The Early Universe
- A massive interacting galaxy 510 million years after the Big Bang
Źródło: Uniwersytet Melbourne
Na ilustracji: Gz9p3, najjaśniejsza znana łącząca się galaktyka w ciągu pierwszych 500 milionów lat istnienia Wszechświata. Źródło: JWST
