Ο Webb αποκαλύπτει τον γίγαντα του πρώιμου σύμπαντος

Λεπτομερείς εικόνες ενός από τους πρώτους γαλαξίες δείχνουν ότι η ανάπτυξη στο πρώιμο σύμπαν ήταν πολύ πιο γρήγορη από ό,τι πιστεύαμε αρχικά.

Οι αστρονόμοι αυτή τη στιγμή απολαμβάνουν μια γόνιμη περίοδο ανακάλυψης, ερευνώντας πολλά από τα μυστήρια του πρώιμου σύμπαντος.

Η επιτυχημένη εκτόξευση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST), του διαδόχου του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble της NASA, έχει ξεπεράσει τα όρια αυτού που μπορούμε να δούμε.

Οι παρατηρήσεις εισέρχονται τώρα στα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν ήταν λιγότερο από το 5% της τρέχουσας ηλικίας του. Για τους ανθρώπους, αυτή η φορά θα βάλει σταθερά το σύμπαν στο στάδιο του νηπίου.

Ωστόσο, οι γαλαξίες που παρατηρούμε σίγουρα δεν είναι παιδικοί, καθώς οι νέες παρατηρήσεις αποκαλύπτουν γαλαξίες που είναι πιο μαζικοί και ώριμοι από ό,τι αναμενόταν προηγουμένως σε τόσο πρώιμους χρόνους, βοηθώντας να ξαναγράψουμε την κατανόησή μας για το σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών.

Η διεθνής ερευνητική μας ομάδα έκανε πρόσφατα άνευ προηγουμένου λεπτομερείς παρατηρήσεις ενός από τους παλαιότερους γνωστούς γαλαξίες – με το όνομα Gz9p3, που τώρα δημοσιεύεται στο Αστρονομία της φύσης.

Το όνομά του προέρχεται από Συνεργασία γυαλιού (όνομα της διεθνούς ερευνητικής μας ομάδας) και το γεγονός ότι ο γαλαξίας έχει ερυθρή μετατόπιση z=9,3 όπου η μετατόπιση προς το κόκκινο είναι ένας τρόπος περιγραφής της απόστασης από ένα αντικείμενο – εξ ου και το G και το z9p3.

Ο Gz9p3, ο λαμπρότερος συγχωνευμένος γαλαξίας που είναι γνωστός στα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος (παρατηρήθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb). Αριστερά: Η ζωντανή απεικόνιση δείχνει έναν διπλό πυρήνα εντός της κεντρικής περιοχής. Δεξιά: Χαρακτηριστικά ελαφριάς διατομής αποκαλύπτουν μια επιμήκη, συμπαγή δομή που προκύπτει από τη συγχώνευση γαλαξιών. Πίστωση: NASA

Μόλις πριν από δύο χρόνια, το Gz9p3 εμφανίστηκε ως ένα ενιαίο σημείο φωτός Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble. Αλλά χρησιμοποιώντας Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Μπορούμε να παρατηρήσουμε αυτό το αντικείμενο όπως ήταν 510 εκατομμύρια χρόνια αργότερα η μεγάλη έκρηξηπριν από περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια.

Διαπιστώσαμε ότι το Gz9p3 ήταν πολύ πιο μαζικό και ώριμο από ό,τι αναμενόταν για ένα τόσο νεαρό σύμπαν και πράγματι περιείχε αρκετά δισεκατομμύρια αστέρια.

Με διαφορά, ήταν το πιο ογκώδες αντικείμενο που επιβεβαιώθηκε από τότε και υπολογίστηκε ότι ήταν δέκα φορές μεγαλύτερο από οποιονδήποτε άλλο γαλαξία που ανακαλύφθηκε στο πρώιμο σύμπαν.

Μαζί, αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι για να φτάσει ο γαλαξίας σε αυτό το μέγεθος, τα αστέρια πρέπει να έχουν εξελιχθεί ταχύτερα και πιο αποτελεσματικά από ό,τι πιστεύαμε αρχικά.

Συγχώνευση των πιο μακρινών γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν

Ο Gz9p3 δεν είναι μόνο ογκώδης, αλλά το πολύπλοκο σχήμα του το προσδιορίζει αμέσως ως μια από τις παλαιότερες συγχωνεύσεις γαλαξιών που έχουν δει ποτέ.

Η απεικόνιση JWST του γαλαξία δείχνει μια μορφολογία που συνήθως σχετίζεται με δύο αλληλεπιδρώντες γαλαξίες. Η συγχώνευση δεν ολοκληρώθηκε γιατί εξακολουθούμε να βλέπουμε δύο στοιχεία.

Όταν δύο ογκώδη αντικείμενα ενώνονται έτσι, απαλλάσσονται από κάποια ύλη στη διαδικασία. Έτσι, αυτό το απορριφθέν υλικό υποδηλώνει ότι αυτό που έχουμε παρατηρήσει είναι μια από τις πιο μακρινές συγχωνεύσεις που έγιναν ποτέ.

Το τηλεσκόπιο James Webb – το μεγαλύτερο και ισχυρότερο όργανο του είδους του που εκτοξεύτηκε ποτέ στο διάστημα – χρησιμοποιεί έναν πρωτεύοντα καθρέφτη 6,5 μέτρων, κατασκευασμένο από 18 εξαγωνικούς καθρέφτες, καλυμμένους με ένα στρώμα χρυσού για να παράγει μερικές από τις παλαιότερες εικόνες του σύμπαντος. Πίστωση εικόνας: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Στη συνέχεια, η μελέτη μας εμβαθύνει, για να χαρακτηρίσει τα σμήνη των αστεριών που αποτελούν τους συγχωνευόμενους γαλαξίες. Χρησιμοποιώντας το JWST, μπορέσαμε να εξετάσουμε Γαλαξιακό φάσμαδιασπά το φως με τον ίδιο τρόπο που ένα πρίσμα διασπά το λευκό φως σε ένα ουράνιο τόξο.

Όταν χρησιμοποιείτε μόνο απεικόνιση, οι περισσότερες μελέτες αυτών των πολύ απομακρυσμένων αντικειμένων δείχνουν μόνο πολύ νεαρά αστέρια επειδή τα νεότερα αστέρια είναι φωτεινότερα και έτσι το φως τους κυριαρχεί στα δεδομένα απεικόνισης.

Για παράδειγμα, ένας λαμπερός νέος πληθυσμός που δημιουργήθηκε από γαλαξιακή συγχώνευση, ηλικίας μικρότερης των μερικών εκατομμυρίων ετών, ξεπερνά έναν γηραιότερο πληθυσμό που είναι ήδη άνω των 100 εκατομμυρίων ετών.

χρησιμοποιώντας Τεχνική φασματικής ανάλυσης Μπορούμε να κάνουμε τόσο λεπτομερείς παρατηρήσεις, ώστε να διακρίνονται οι δύο ομάδες.

Νέα μοντέλα του πρώιμου σύμπαντος

Ένας τόσο μεγάλος μεγαλύτερος πληθυσμός δεν θα ήταν αναμενόμενος δεδομένου του πόσο πρώιμα αστέρια σχηματίστηκαν για να είναι αρκετά μεγάλα σε αυτόν τον κοσμικό χρόνο. Η φασματοσκοπία είναι τόσο λεπτομερής, που μπορούμε να δούμε τα διακριτικά χαρακτηριστικά των αρχαίων αστεριών που μας λένε ότι υπάρχουν περισσότερα εκεί έξω από όσα νομίζετε.

Συγκεκριμένα στοιχεία που ανιχνεύονται στο φάσμα (συμπεριλαμβανομένου του πυριτίου, του άνθρακα και του σιδήρου) αποκαλύπτουν ότι αυτός ο παλαιότερος πληθυσμός πρέπει να είναι παρών για να εμπλουτιστεί ο γαλαξίας με μια αφθονία χημικών ουσιών.

Δεν είναι μόνο το μέγεθος των γαλαξιών που προκαλεί έκπληξη, αλλά και η ταχύτητα με την οποία έχουν αναπτυχθεί σε αυτήν την χημικά ώριμη κατάσταση.

Αυτές οι παρατηρήσεις παρέχουν στοιχεία για μια ταχεία και αποτελεσματική συσσώρευση αστεριών και μετάλλων αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, που σχετίζεται με συνεχιζόμενες συγχωνεύσεις γαλαξιών, δείχνοντας ότι τεράστιοι γαλαξίες που περιείχαν πολλά δισεκατομμύρια αστέρια υπήρχαν νωρίτερα από το αναμενόμενο.

Οι παρατηρήσεις παρέχουν στοιχεία ταχείας και αποτελεσματικής συσσώρευσης άστρων και μετάλλων αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, Jennifer Lutz (STScI), Matt Mountain (STScI), Anton M. Koikemore (STScI), HFF Team (STScI)

Οι απομονωμένοι γαλαξίες δημιουργούν τους πληθυσμούς αστεριών τους Στην ιστοσελιδα Ωστόσο, με την περιορισμένη παροχή αερίου, αυτό μπορεί να είναι ένας αργός τρόπος για να αναπτυχθούν οι γαλαξίες.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γαλαξιών μπορούν να προσελκύσουν νέα ρεύματα καθαρού αερίου, παρέχοντας το καύσιμο που απαιτείται για τον γρήγορο σχηματισμό άστρων και οι συγχωνεύσεις παρέχουν ένα πιο γρήγορο κανάλι για συσσώρευση μάζας και ανάπτυξη.

Οι μεγαλύτεροι γαλαξίες στο σύγχρονο σύμπαν μας έχουν ιστορία συγχωνεύσεων, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας Γαλαξίας Έχει αυξηθεί στο σημερινό του μέγεθος μέσω διαδοχικών συγχωνεύσεων με μικρότερους γαλαξίες.

Αυτές οι παρατηρήσεις του Gz9p3 δείχνουν ότι οι γαλαξίες μπόρεσαν να συσσωρεύσουν γρήγορα μάζα στο πρώιμο Σύμπαν μέσω συγχωνεύσεων, με απόδοση σχηματισμού αστεριών υψηλότερη από ό,τι περιμέναμε.

Αυτές και άλλες παρατηρήσεις που χρησιμοποιούν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb ωθούν τους αστροφυσικούς να αναθεωρήσουν τα μοντέλα τους για τα πρώτα χρόνια του σύμπαντος.

Η κοσμολογία μας δεν είναι απαραιτήτως λάθος, αλλά η κατανόησή μας για το πόσο γρήγορα σχηματίζονται οι γαλαξίες μπορεί να είναι λανθασμένη, επειδή είναι πολύ μεγαλύτεροι από ό,τι πιστεύαμε ότι είναι δυνατό.

Αυτά τα νέα ευρήματα έρχονται σε μια καλή στιγμή καθώς πλησιάζουμε τα δύο χρόνια για επιστημονικές παρατηρήσεις που έγιναν με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Καθώς ο συνολικός αριθμός των παρατηρηθέντων γαλαξιών αυξάνεται, οι αστρονόμοι που μελετούν το πρώιμο σύμπαν μετακινούνται από τη φάση της ανακάλυψης σε μια περίοδο που έχουμε δείγματα αρκετά μεγάλα για να αρχίσουμε να κατασκευάζουμε και να τελειοποιούμε νέα μοντέλα.

Δεν υπήρξε ποτέ πιο συναρπαστική στιγμή για να κατανοήσουμε τα μυστικά του πρώιμου σύμπαντος.

Αναφορά: «Ένας τεράστιος αλληλεπιδρών γαλαξίας 510 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη» από τους Kristan Boyett, Michele Trinti, Nisha Lithokawalit, Antonello Calabro, Benjamin Metha, Guido Roberts Borsani, Niccolò Dalmaso, Lilan Yang, Paola Santini, Tommaso Trinieso. Alaina Henry, Charlotte A. Mason, Takahiro Morishita, Themia Nanayakkara, Namrata Roy, Chen Wang, Adriano Fontana, Emiliano Merlin, Marco Castellano, Diego Paris, Marusha Bradac, Matt Malkan, Danilo Marchesini, Sara Mascia, Karl Glezbrook, Laura Pinterici. , Eros Vanzella and Benedetta Vulcani, 7 Μαρτίου 2024, Αστρονομία της φύσης.
doi: 10.1038/s41550-024-02218-7

Επικεφαλής της μελέτης ήταν η Δρ Kate Boyett με μια ομάδα που περιλαμβάνει τους καθηγητές Michael Trinity και Benjamin Mitha Νικολό Νταλμάσο Επίσης από το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης και ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D). Συγκροτείται μια διεθνής ερευνητική ομάδα 27 συγγραφείς από 19 ιδρύματα στην Αυστραλία, την Ταϊλάνδη, την Ιταλία, τις ΗΠΑ, την Ιαπωνία, τη Δανία και την Κίνα.