Korzystanie z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbaastronomowie po raz pierwszy zaobserwowali galaktykę we wczesnym Wszechświecie rozwijającą się od środka na zewnątrz, zaledwie 700 milionów lat po Wielki Wybuch.
Ta galaktyka, znacznie mniejsza, ale bardziej dojrzała niż oczekiwano, wykazuje unikalne wzorce wzrostu dzięki gęstemu jądru i szybko tworzącym się obrzeżom gwiazd.
Astronomowie zastosowali tzw NASA/ESA Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) w celu obserwacji wzrostu galaktyki „na lewą stronę” we wczesnym wszechświecie, zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Galaktyka ta jest sto razy mniejsza od Droga Mlecznaa mimo to jest zaskakująco dojrzały jak na tak wczesną fazę wszechświata. Podobnie jak duże miasto, galaktyka ta charakteryzuje się gęsto upakowanym jądrem gwiazd, ale staje się rzadsza na galaktycznych „przedmieściach”. I niczym duże miasto, galaktyka zaczyna się rozrastać, a powstawanie gwiazd na obrzeżach przyspiesza.
Jest to najwcześniejsze w historii odkrycie wzrostu galaktyk od wewnątrz. Aż do Webba nie było możliwe badanie wzrostu galaktyk na tak wczesnym etapie historii wszechświata. Chociaż zdjęcia uzyskane za pomocą Webba stanowią migawkę w czasie, naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Cambridge twierdzą, że badanie podobnych galaktyk może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób przekształcają się one z obłoków gazu w złożone struktury, które obserwujemy dzisiaj. Wyniki opublikowano dzisiaj (11 października) w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.
Nowe spojrzenie na wczesną ewolucję galaktyczną
„Zagadnienie ewolucji galaktyk w czasie kosmicznym jest ważne w astrofizyce” – powiedział współautor dr Sandro Tacchella z Cavendish Laboratory w Cambridge. „Mieliśmy mnóstwo doskonałych danych z ostatnich dziesięciu milionów lat i dotyczących galaktyk w naszym zakątku Wszechświata, ale teraz dzięki Webbowi możemy uzyskać dane obserwacyjne sprzed miliardów lat, badając pierwszy miliard lat kosmicznej obserwacji. historii, która otwiera wszelkiego rodzaju nowe pytania.”
Galaktyki, które dzisiaj obserwujemy, rosną dzięki dwóm głównym mechanizmom: albo wciągają, czyli akreują, gaz, tworząc nowe gwiazdy, albo rosną, łącząc się z mniejszymi galaktykami. To, czy we wczesnym Wszechświecie działały różne mechanizmy, jest otwartym pytaniem, które astronomowie mają nadzieję rozwiązać wspólnie z Webbem.
„Oczekuje się, że galaktyki zaczną się małe, gdy obłoki gazu zapadną się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc bardzo gęste jądra gwiazd i prawdopodobnie czarne dziury” – mówi Tacchella. „W miarę jak galaktyka rośnie i wzrasta liczba gwiazd, przypomina to wirującą łyżwiarkę figurową: gdy łyżwiarz ciągnie ją za ramiona, nabiera pędu i wiruje coraz szybciej. Galaktyki są nieco podobne, a gaz akreuje później z coraz większych odległości, wirując galaktykę w górę, dlatego często tworzą kształty spiralne lub dyskowe”.
Obserwowanie powstawania gwiazd we wczesnym Wszechświecie
Galaktyka ta, obserwowana jako część tzw JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey) aktywnie formuje gwiazdy we wczesnym wszechświecie. Posiada bardzo gęste jądro, które pomimo stosunkowo młodego wieku ma gęstość podobną do współczesnych masywnych galaktyk eliptycznych, które mają 1000 razy więcej gwiazd. Większość procesów gwiazdotwórczych zachodzi dalej od jądra, a „grupa” gwiazdotwórczy jest jeszcze dalej.
Aktywność formowania się gwiazd silnie rośnie w kierunku obrzeży, w miarę rozprzestrzeniania się formowania gwiazd i powiększania się galaktyki. Ten typ wzrostu przewidywano za pomocą modeli teoretycznych, ale dzięki Webbowi można go teraz zaobserwować.
„Jednym z wielu powodów, dla których Webb tak bardzo zmienił nas, astronomów, jest to, że możemy teraz obserwować to, co wcześniej przewidywano poprzez modelowanie” – powiedział współautor William Baker, doktorant w Cavendish. „To tak, jakby móc sprawdzić swoją pracę domową”.
Postępy w badaniach galaktycznych z Webbem
Korzystając z Webba, badacze wyodrębnili informacje ze światła emitowanego przez galaktykę na różnych długościach fal, które następnie wykorzystali do oszacowania liczby gwiazd młodszych w porównaniu ze starszymi, co przeliczyło się na szacunkową masę gwiazd i tempo powstawania gwiazd.
Ponieważ galaktyka jest tak zwarta, poszczególne obrazy galaktyki „modelowano w przód”, aby uwzględnić efekty instrumentalne. Wykorzystując model populacji gwiazd, który obejmuje zalecenia dotyczące emisji gazów i absorpcji pyłu, naukowcy odkryli starsze gwiazdy w jądrze, podczas gdy otaczający element dysku przechodzi bardzo aktywne powstawanie gwiazd. Ta galaktyka podwaja swoją masę gwiazd na obrzeżach mniej więcej co 10 milionów lat, co jest bardzo szybkie: galaktyka Drogi Mlecznej podwaja swoją masę tylko co 10 miliardów lat.
Gęstość jądra galaktycznego, a także duże tempo powstawania gwiazd sugerują, że ta młoda galaktyka jest bogata w gaz potrzebny do formowania nowych gwiazd, co może odzwierciedlać różne warunki panujące we wczesnym Wszechświecie.
„Oczywiście to tylko jedna galaktyka, więc musimy wiedzieć, co robiły inne galaktyki w tamtym czasie” – powiedział Tacchella. „Czy wszystkie galaktyki były takie jak ta? Obecnie analizujemy podobne dane z innych galaktyk. Przyglądając się różnym galaktykom w czasie kosmicznym, być może będziemy w stanie zrekonstruować cykl wzrostu i zademonstrować, jak galaktyki rosną do swoich dzisiejszych rozmiarów.”
Odniesienie: „Rdzeń w dysku gwiazdotwórczym jako dowód wzrostu na lewą stronę we wczesnym Wszechświecie” 11 października 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02384-8
