Naukowcy korzystający z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkryli trzy masywne galaktyki z wczesnego Wszechświata i okazały się równie masywne jak Galaktyka Droga Mleczna i formowanie gwiazd z zaskakującą wydajnością.
Odkrycie to, które zaprzecza wcześniejszym modelom powolnego powstawania gwiazd, sugeruje, że powstawanie gwiazd we wczesnym Wszechświecie było znacznie bardziej produktywne, niż wcześniej sądzono.
Trzy galaktyczne „czerwone potwory” odkryte we wczesnym wszechświecie
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) odkrył trzy ultramasywne galaktyki, każda prawie tak duża jak Droga Mleczna, które istniały w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielki Wybuch. Tego nieoczekiwanego odkrycia dokonano przy użyciu programu FRESCO Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który wykorzystuje technologię NIRCamSpektrograf /grism do precyzyjnego pomiaru odległości i mas gwiazdowych galaktyk.
Wyniki sugerują, że powstawanie gwiazd we wczesnym Wszechświecie było znacznie wydajniejsze niż wcześniej sądzono, co stanowi wyzwanie dla ustalonych modeli powstawania galaktyk. Ustalenia te zostały opublikowane w Natura 13 listopada.
Wyzwanie dla konwencjonalnych teorii powstawania galaktyk
Zgodnie z dominującym modelem naukowym galaktyki stopniowo tworzą się w rozległych halo ciemnej materii, które pochłaniają gaz (atomy i cząsteczki), tworząc struktury związane grawitacyjnie. Zazwyczaj tylko około 20% tego gazu przekształca się w gwiazdy w galaktykach. Jednak nowe obserwacje zespołu UNIGE, wykorzystując NASAKosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), kwestionują ten pogląd. Dane wskazują, że masywne galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogły tworzyć gwiazdy w znacznie szybszym tempie niż późniejsze galaktyki, rosnąc znacznie szybciej, niż kiedyś sądzono.
„Nasze odkrycia zmieniają nasze rozumienie powstawania galaktyk we wczesnym Wszechświecie”. Doktor Mengyuan Xiao
Odsłonięcie „czerwonych potworów”
Niezrównane możliwości JWST umożliwiły astronomom systematyczne badanie galaktyk w bardzo odległym i wczesnym Wszechświecie, zapewniając wgląd w masywne i przesłonięte pyłem galaktyki. Analizując galaktyki w przeglądzie FRESCO, naukowcy odkryli, że większość źródeł pasuje do istniejących modeli.
Jednak odkryli także trzy zaskakująco masywne galaktyki o masach gwiazd porównywalnych z dzisiejszą Drogą Mleczną. Tworzą one gwiazdy prawie dwukrotnie wydajniej niż ich odpowiedniki o mniejszej masie i galaktyki w późniejszym okresie. Ze względu na wysoką zawartość pyłu, który nadaje im wyraźny czerwony wygląd na zdjęciach JWST, nazwano je trzema „czerwonymi potworami”.
„Nasze odkrycia zmieniają nasze rozumienie powstawania galaktyk we wczesnym Wszechświecie” – mówi dr Mengyuan Xiao, główny autor nowego badania i badacz ze stopniem doktora na Wydziale Astronomii Wydziału Nauk UNIGE. „Masywne właściwości tych „czerwonych potworów” prawie nie zostały określone przed JWST, ponieważ są one optycznie niewidoczne ze względu na tłumienie pyłu” – mówi dr David Elbaz, dyrektor ds. badań w CEA Paris-Saclay.
Nowe granice w eksploracji galaktyk
Międzynarodowy zespół opracował wraz z JWST nowy program mający na celu systematyczną analizę pełnej próbki galaktyk linii emisyjnych z pierwszego miliarda lat historii kosmosu. Takie podejście umożliwiło zespołowi osiągnięcie precyzyjnych szacunków odległości i wiarygodnych pomiarów mas gwiazd dla całej próbki galaktyki.
„Nasze odkrycia podkreślają niezwykłą moc spektroskopii NIRCam/grism” – wyjaśnia Pascal Oesch, profesor nadzwyczajny na Wydziale Astronomii na Wydziale Naukowym UNIGE, główny badacz tego programu obserwacyjnego. „Instrument na pokładzie teleskopu kosmicznego pozwala nam identyfikować i badać rozwój galaktyk w czasie oraz uzyskać wyraźniejszy obraz gromadzenia się masy gwiazdowej w historii kosmosu”.
„Zbyt wiele, zbyt masywne” galaktyki we wczesnym wszechświecie
Chociaż odkrycia te nie są sprzeczne ze standardowym modelem kosmologicznym, rodzą nowe pytania w kontekście teorii powstawania galaktyk, w szczególności kwestię „zbyt wielu i zbyt masywnych” galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Obecne modele mogą wymagać uwzględnienia unikalnych procesów, które umożliwiły pewnym wczesnym masywnym galaktykom osiągnięcie tak wydajnego powstawania gwiazd, a tym samym powstanie bardzo szybko i bardzo wcześnie we Wszechświecie. Przyszłe obserwacje za pomocą JWST i Atacama Large Millimeter Array (ALMA) zapewni dalszy wgląd w te ultramasywne „czerwone potwory” i ujawni większe próbki takich źródeł.
„Wyniki te wskazują, że galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogą tworzyć gwiazdy z nieoczekiwaną wydajnością” – podsumowuje dr Mengyuan Xiao. „Gdy będziemy głębiej badać te galaktyki, dostarczą nam one nowego wglądu w warunki, które kształtowały najwcześniejsze epoki Wszechświata. „Czerwone Potwory” to dopiero początek nowej ery w naszej eksploracji wczesnego Wszechświata.”
Odniesienie: „Przyspieszone powstawanie ultramasywnych galaktyk w ciągu pierwszego miliarda lat” Mengyuan Xiao, Pascal A. Oesch, David Elbaz, Longji Bing, Erica J. Nelson, Andrea Weibel, Garth D. Illingworth, Pieter van Dokkum, Rohan P. Naidu, Emanuele Daddi, Rychard J. Bouwens, Jorryt Matthee, Stijn Wuyts, John Chisholm, Gabriel Brammer, Mark Dickinson, Benjamin Magnelli, Lucas Leroy, Daniel Schaerer, Thomas Herard-Demanche, Seunghwan Lim, Laia Barrufet, Ryan Endsley, Yoshinobu Fudamoto, Carlos Gómez-Guijarro, Rashmi Gottumukkala, Ivo Labbé, Dan Magee , Danilo Marchesini, Michael Maseda, Yuxiang Qin, Naveen A. Reddy, Alice Shapley, Irene Shivaei, Marko Shuntov, Mauro Stefanon, Katherine E. Whitaker i J. Stuart B. Wyithe, 13 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08094-5
