Pierwsze obrazy galaktyk we wczesnym Wszechświecie z JWST sugerowały, że są one znacznie większe niż powinny być w tamtym okresie. Nowe badania przynoszą wyjaśnienie tego fenomenu.
Kiedy astronomowie po raz pierwszy spojrzeli na galaktyki we wczesnym Wszechświecie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), spodziewali się znaleźć małe dzieci, ale zamiast tego znaleźli coś, co wyglądało jak plejada olimpijskich osiłków. Niektóre galaktyki wydawały się rosnąć tak szybko, że symulacje nie były w stanie ich uwzględnić. Badacze sugerowali, że teoria wyjaśniająca, z czego składa się Wszechświat i jak ewoluował od czasu Wielkiego Wybuchu, znana jako standardowy model kosmologiczny, jest niepełna.
Według nowych badań opublikowanych w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”, prowadzonych przez Katherine Chworowsky z Uniwersytetu Teksańskiego (UT) w Austin, niektóre z tych wczesnych galaktyk są rzeczywiście znacznie mniej masywne, niż się początkowo wydawało. Czarne dziury w niektórych z tych galaktyk sprawiają, że wydają się one znacznie jaśniejsze i większe niż są w rzeczywistości.
Wciąż obserwujemy więcej galaktyk, niż przewidywano, choć żadna z nich nie jest tak masywna, by „rozbić” Wszechświat – powiedziała Chworowsky.
Dowody zostały dostarczone przez przegląd Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), prowadzony przez Stevena Finkelsteina, profesora astronomii na UT i współautora artykułu.
Czarne dziury zwiększają jasność
Według najnowszych badań galaktyki, które okazały się nieoczekiwanie masywne, prawdopodobnie zawierają czarne dziury szybko pochłaniające gaz. Tarcie w szybko poruszającym się gazie emituje ciepło i światło, sprawiając, że galaktyki te są znacznie jaśniejsze niż byłyby, gdyby światło pochodziło wyłącznie od gwiazd. To dodatkowe światło może sprawiać wrażenie, że galaktyki zawierają znacznie więcej gwiazd, a tym samym są bardziej masywne, niż można by to oszacować. Gdy naukowcy usuną te galaktyki, nazwane „małymi czerwonymi kropkami”, z analizy, pozostałe wczesne galaktyki nie są zbyt masywne, aby pasowały do przewidywań modelu standardowego.
Podsumowując, nie ma kryzysu w zakresie modelu standardowego – powiedział Finkelstein. Za każdym razem, gdy mamy teorię, która przetrwała próbę czasu przez tak długi czas,trzeba przedstawić solidne dowody, aby ją obalić. A w tym wypadku tak po prostu nie jest.
Wydajne fabryki gwiazd
Chociaż udało się rozwiązać główny problem, pozostaje jeszcze jeden, mniej drażliwy: w danych uzyskanych za pomocą JWST dotyczących wczesnego Wszechświata nadal znajduje się około dwa razy więcej masywnych galaktyk, niż przewiduje to model standardowy. Jednym z możliwych powodów może być to, że we wczesnym Wszechświecie gwiazdy tworzyły się szybciej niż obecnie.
Być może we wczesnym Wszechświecie galaktyki były lepsze w przekształcaniu gazu w gwiazdy – powiedziała Chworowsky.
Do formowania się gwiazd dochodzi, gdy gorący gaz ochładza się na tyle, że ulega grawitacji i kondensuje się w jedną lub więcej gwiazd. Gdy gaz się kurczy, ogrzewa się, wytwarzając ciśnienie zewnętrzne. W naszym regionie Wszechświata równowaga tych przeciwstawnych sił sprawia, że proces formowania się gwiazd jest bardzo powolny. Być może jednak (zgodnie z niektórymi teoriami) ponieważ wczesny Wszechświat był gęstszy niż obecnie, gaz podczas formowania się gwiazd uciekał wolniej, dzięki czemu proces ten przebiegał szybciej.
Więcej dowodów na istnienie czarnych dziur
Jednocześnie astronomowie analizowali widma „małych czerwonych kropek” odkrytych przez JWST, a naukowcy z zespołu CEERS i innych znaleźli dowody na obecność szybko poruszającego się wodoru w postaci gazowej, który jest charakterystyczny dla dysków akrecyjnych czarnych dziur. Potwierdza to tezę, że przynajmniej część światła pochodzącego z tych zwartych, czerwonych obiektów pochodzi z gazu wirującego wokół czarnych dziur, a nie z gwiazd – zgodnie z wnioskiem zespołu Chworowsky, że gwiazdy prawdopodobnie nie są tak masywne, jak początkowo sądzili astronomowie. Dalsze obserwacje tych intrygujących obiektów są jednak w toku i powinny pomóc w rozwiązaniu zagadki dotyczącej tego, ile światła pochodzi od gwiazd, a ile od gazu wokół czarnych dziur.
Często w nauce odpowiedź na jedno pytanie prowadzi do nowych pytań. Chociaż naukowcy wykazali, że model standardowy prawdopodobnie nie jest wadliwy, ich praca wskazuje na potrzebę nowych modeli formowania się gwiazd.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Early Galaxies Were Not Too Big for Their Britches After All
- Evidence for a Shallow Evolution in the Volume Densities of Massive Galaxies at z = 4–8 from CEERS
Źródło: University of Texas
Na ilustracji: Newielki fragment pola obserwowanego przez kamerę NIRCam JWST w ramach przeglądu CEERS. Jest on wypełniony galaktykami. Światło z niektórych z nich podróżowało przez ponad 13 miliardów lat, aby dotrzeć do teleskopu. Źródło: NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (University of Texas at Austin)
