“Cosmic Lighthouses” – Ο Webb αποκαλύπτει τα μυστικά του πρώτου φωτός του σύμπαντος

Οι πρωτοποριακές παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb αποκαλύπτουν τον κεντρικό ρόλο των γαλαξιών χαμηλής μάζας στον επαναιονισμό του πρώιμου σύμπαντος, αμφισβητώντας τις υπάρχουσες θεωρίες της κοσμικής εξέλιξης.

Οι επιστήμονες που εργάζονται με δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) της NASA απέκτησαν το πρώτο πλήρες φάσμα μερικών από το παλαιότερο φως των αστεριών στο σύμπαν. Οι εικόνες παρέχουν την πιο ξεκάθαρη εικόνα των νεογέννητων γαλαξιών πολύ χαμηλής μάζας, που σχηματίστηκαν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και υποδηλώνουν ότι οι νέοι γαλαξίες έχουν κεντρικό ρόλο στην ιστορία της κοσμικής προέλευσης.

Η διεθνής ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένων δύο αστροφυσικών του Penn State, δημοσίευσε πρόσφατα τα ευρήματά της στο περιοδικό φύση. Τα φάσματα αποκαλύπτουν μέρος του πρώτου ορατού φωτός από μια περίοδο στο σύμπαν γνωστή ως επαναιονισμός, η οποία τροφοδοτήθηκε από την άφιξη των πρώτων αστέρων και γαλαξιών.

Οι εικόνες σε βαθύ πεδίο που λήφθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA έδωσαν τις πρώτες ματιές εξαιρετικά αμυδρό γαλαξιών που οι ερευνητές έχουν αναγνωρίσει ως ισχυρούς υποψήφιους για αντικείμενα που πυροδότησαν τον επαναιονισμό του σύμπαντος. Πηγή εικόνας: Hakim Atiq/Πανεπιστήμιο της Σορβόννης/JWST

The Primordial Universe: The Transition from Darkness to Light

Η κανονική ύλη στο σύμπαν ξεκίνησε ως μια καυτή, πυκνή ομίχλη που αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από πυρήνες υδρογόνου και ηλίου, εξήγησε ο Joel Lyga, επίκουρος καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State και συγγραφέας στο χαρτί. Καθώς διαστέλλεται και ψύχεται, μεμονωμένα πρωτόνια και ηλεκτρόνια άρχισαν να συνδέονται, σχηματίζοντας για πρώτη φορά ουδέτερο υδρογόνο. Περίπου 500 με 900 εκατομμύρια χρόνια αργότερα η μεγάλη έκρηξηΤο ουδέτερο υδρογόνο – το οποίο επικράτησε στο πρώιμο σύμπαν – άρχισε να διαχωρίζεται ξανά σε ιονισμένο αέριο, διεγείροντας το σχηματισμό άστρων και γαλαξιών και ανυψώνοντας την αρχέγονη ομίχλη, έτσι ώστε το φως να μπορεί να ταξιδέψει ανεμπόδιστα στο σύμπαν για πρώτη φορά.

“Κάτι πυροδοτήθηκε και άρχισε να αντλεί φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας στο κενό μεταξύ των γαλαξιών”, είπε ο Lyga. «Αυτές οι πηγές λειτουργούσαν σαν κοσμικοί φάροι που έκαιγαν την ουδέτερη ομίχλη υδρογόνου. Όποια κι αν ήταν αυτή, ήταν τόσο ενεργητική και επίμονη που ολόκληρο το σύμπαν ιονίστηκε ξανά».

Πρωτοπόροι γαλαξιών: ο ρόλος των γαλαξιών χαμηλής μάζας

Αναλύοντας τα φάσματα μικρών, χαμηλής μάζας γαλαξιών, οι επιστήμονες απέδειξαν ότι οι μικροί γαλαξίες ήταν ισχυροί υποψήφιοι για το «πράγμα» που επαναιονοποίησε το σύμπαν θερμαίνοντας το πυκνό αρχέγονο αέριο γύρω τους και ιονίζοντας το προηγουμένως ουδέτερο υδρογόνο.

“Εάν άλλοι γαλαξίες χαμηλής μάζας στο σύμπαν είναι τόσο κοινοί και ζωντανοί όσο αυτοί, τότε πιστεύουμε ότι επιτέλους φτάσαμε στους φάρους που έκαψαν την κοσμική ομίχλη”, είπε ο Lyga. «Ήταν απίστευτα ενεργά αστέρια σε πολλούς, πολλούς μικρούς γαλαξίες».

Η Leija πρόσθεσε ότι η πλειοψηφία των γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν αναμένεται να είναι σχετικά μικροί, γεγονός που καθιστά τη μελέτη της συχνότητας και των ιδιοτήτων τους πολύ δύσκολη. Χάρη σε μια τεχνολογική ανακάλυψη που έγινε δυνατή από τον μοναδικό συνδυασμό της ευαισθησίας του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb και του βαρυτικού φακού του σμήνος Abell 2744 — κοντινοί γαλαξίες που λειτουργούν σαν κοσμικοί μεγεθυντικοί φακοί, παραμορφώνουν το διάστημα και ενισχύουν το φως των γαλαξιών του φόντου — είναι πλέον δυνατός ο προσδιορισμός της αφθονίας των μικρών γαλαξιών και των ιοντιστικών τους ιδιοτήτων μέσα σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια.Η πρώτη φορά στο σύμπαν.

«Βρήκαμε ότι οι μικροί γαλαξίες υπερτερούν αριθμητικά των μεγάλων γαλαξιών κατά περίπου εκατό προς ένα κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής επαναιονισμού του σύμπαντος», δήλωσε ο Hakim Atiq, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης, ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Παρισιού και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. είπε σε δελτίο τύπου. «Αυτές οι νέες παρατηρήσεις αποκαλύπτουν επίσης ότι αυτοί οι μικροί γαλαξίες παρήγαγαν μεγάλη ποσότητα ιονιζόντων φωτονίων, υπερβαίνοντας τέσσερις φορές τις θεμελιώδεις τιμές που κανονικά θεωρούνται για μακρινούς γαλαξίες. Αυτό σημαίνει ότι η συνολική ροή ιονιζόντων φωτονίων που εκπέμπονται από αυτούς τους γαλαξίες υπερβαίνει κατά πολύ το απαιτούμενο όριο για επαναϊονισμό».

Χαρτογραφώντας την κοσμική εξέλιξη: μελλοντικές κατευθύνσεις

Η ομάδα του Penn State ηγήθηκε της μοντελοποίησης για την έρευνα UNCOVER, η οποία στόχευε το μεγάλο σμήνος γαλαξιών στο προσκήνιο που απεικόνιζε μικρότερους, πιο απομακρυσμένους γαλαξίες. Ερευνητές στο Penn State ανέλυσαν όλα τα μικροσκοπικά σημεία φωτός στη σάρωση για να κατανοήσουν τις ιδιότητες του αντικειμένου καθώς και τη μάζα και τις πιθανές αποστάσεις του. Αυτή η ανάλυση χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για να καθοδηγήσει τις πιο λεπτομερείς παρατηρήσεις του JWST που οδήγησαν σε αυτήν την ανακάλυψη, εξήγησε ο Lija.

Πριν από αυτά τα αποτελέσματα, υπήρχε μια σειρά από υποθέσεις που εντόπισαν άλλες πηγές υπεύθυνες για τον κοσμικό επαναιονισμό, όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Μεγάλοι γαλαξίες με μάζα μεγαλύτερη από ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες. Μικροί γαλαξίες με μάζα μικρότερη από ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες. Οι ερευνητές είπαν ότι η επιβεβαίωση της υπόθεσης σχετικά με τους γαλαξίες χαμηλής μάζας έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη, δεδομένης της χαμηλής φωτεινότητάς τους, αλλά τα νέα αποτελέσματα παρέχουν την πιο ξεκάθαρη απόδειξη ότι οι γαλαξίες χαμηλής μάζας έπαιξαν κεντρικό ρόλο στον επαναιονισμό του σύμπαντος.

Οι ερευνητές θέλουν τώρα να επεκτείνουν τη μελέτη σε μεγαλύτερη κλίμακα για να διασφαλίσουν ότι η συγκεκριμένη τοποθεσία που ανέλυσαν αντιπροσωπεύει τη μέση κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν. Πέρα από τη διαδικασία επαναιονισμού, οι παρατηρήσεις τους παρέχουν μια εικόνα για τη διαδικασία του πρώιμου σχηματισμού άστρων, πώς προέκυψαν οι γαλαξίες από το αρχέγονο αέριο και πώς εξελίχθηκαν στο σύμπαν που γνωρίζουμε σήμερα.

Αναφορά: «Τα περισσότερα από τα φωτόνια που επαναιονοποίησαν το σύμπαν προήλθαν από νάνους γαλαξίες» από τους Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Σεντόνα Χ. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Ουίλιαμς, Σαμ Ε. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Green, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich και Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara και Daniel B. Stark, Mauro Stefanone και Katherine A. Suss, Bingjie Wang και Catherine E. Whitaker, 28 Φεβρουαρίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Ο Bingyi Wang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην αστροφυσική, είναι ο άλλος συν-συγγραφέας της μελέτης από το Penn State. Ένας πλήρης κατάλογος των συγγραφέων και των ιδρυμάτων τους είναι διαθέσιμος στη δημοσιευμένη εργασία. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν τη χρηματοδότηση και την υποστήριξη από το Εθνικό Κέντρο Διαστημικών Μελετών της Γαλλίας, το Εθνικό Πρόγραμμα για την Κοσμολογία και τους Γαλαξίες, το CEA, το Cosmic Dawn Centre, το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών της Δανίας, το Αυστραλιανό Ερευνητικό Συμβούλιο, NOW, το πρόγραμμα Rosalind Franklin του Κοινό Ταμείο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και το Πανεπιστήμιο του Groningen. , Εθνικό Διμερές Ίδρυμα Επιστημών ΗΠΑ-Ισραήλ, Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (NSF), Υπουργείο Επιστήμης και Τεχνολογίας, Ισραήλ και NOIRLabΔιοικείται από την Κοινοπραξία Πανεπιστημίων για Έρευνα στην Αστρονομία στο πλαίσιο συμφωνίας συνεργασίας με το NSF.