Naukowcy odkryli trzy ultramasywne galaktyki z pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata, co stanowi wyzwanie dla istniejących modeli powstawania gwiazd.
Galaktyki te, utożsamiane z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbawykazują niezwykle wysokie tempo powstawania gwiazd, co sugeruje bardziej wydajne wczesne formowanie się galaktyk, niż wcześniej sądzono.
Przełomowe odkrycia galaktyk
Międzynarodowy zespół kierowany przez Uniwersytet Genewski (UNIGE), w tym profesora Stijna Wuytsa z Uniwersytetu w Bath, odkrył trzy ultramasywne galaktyki – każda prawie tak masywna jak Droga Mleczna – które powstały już w ciągu pierwszego miliarda lat po the Wielki Wybuch.
Ich odkrycia sugerują, że powstawanie gwiazd we wczesnym Wszechświecie było znacznie skuteczniejsze, niż wcześniej sądzono, co stanowi wyzwanie dla istniejących modeli powstawania galaktyk.
To nieoczekiwane odkrycie opublikowano 13 listopada w czasopiśmie Naturawykonano na podstawie danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) w ramach programu JWST FRESCO.
Zaawansowane techniki badań galaktyk
Celem programu FRESCO było systematyczne analizowanie pełnej próbki galaktyk linii emisyjnych (ELG) z pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. ELG, które w swoich widmach (zakresie emitowanych długości fal światła) wykazują wyraźne linie emisyjne, pokazują jasne linie przy określonych długościach fal, które wyróżniają się na ciemniejszym tle widma.
Obecność linii emisyjnych umożliwiła zespołowi dokładne określenie odległości do galaktyk w próbce. Z kolei dokładna znajomość odległości i mocy linii emisyjnych pozwoliła badaczom wiarygodnie zmierzyć ilość gwiazd znajdujących się w galaktykach. Trzy wyróżniały się dużą zawartością gwiazd.
„Znalezienie w próbce trzech tak masywnych bestii stanowi kuszącą zagadkę” – powiedział profesor Wuyts, współautor książki Natura studiów i Hiroko Sherwin, kierownik katedry astronomii pozagalaktycznej na Wydziale Fizyki w Bath.
„Wiele procesów w ewolucji galaktyk ma tendencję do wprowadzania etapu ograniczającego szybkość przemiany gazu w gwiazdy, a jednak wydaje się, że w jakiś sposób te Czerwone Potwory szybko ominęły większość tych przeszkód”.
Implikacje dla modeli formowania się galaktyk
Do tej pory uważano, że wszystkie galaktyki powstają stopniowo w dużych halo ciemnej materii. Aureole ciemnej materii wychwytują gaz (atomy i cząsteczki) w struktury związane grawitacyjnie. Zazwyczaj maksymalnie 20% tego gazu przekształca się w gwiazdy w galaktykach. Jednak nowe odkrycia podważają ten pogląd, ujawniając, że masywne galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogły rosnąć znacznie szybciej i wydajniej, niż wcześniej sądzono.
Szczegóły badania FRESCO uchwycono za pomocą „spektroskopii bezszczelinowej” przy użyciu kamery bliskiej podczerwieni JWST – metody badawczej, która umożliwia wychwycenie i rozwikłanie światła na składowe długości fal dla wszystkich obiektów w polu widzenia. To sprawia, że jest to doskonała metoda pomiaru dokładnych odległości i cech fizycznych galaktyk.
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 uwzględnione w przeglądzie FRESCO, naukowcy odkryli, że większość galaktyk pasuje do istniejących modeli. Jednak odkryli także trzy zaskakująco masywne galaktyki o masach gwiazd porównywalnych z dzisiejszymi Droga Mleczna.
Tworzą one gwiazdy prawie dwukrotnie wydajniej niż galaktyki o mniejszej masie z tej samej epoki lub zwykłe galaktyki w późniejszych okresach historii kosmosu. Ze względu na wysoką zawartość pyłu, który nadaje tym trzem masywnym galaktykom wyraźny czerwony wygląd na zdjęciach JWST, nazwano je trzema Czerwonymi Potworami.
Dr Mengyuan Xiao, główna autorka nowego badania i badaczka ze stopniem doktora w UNIGE, powiedziała: „Nasze odkrycia zmieniają nasze rozumienie powstawania galaktyk we wczesnym Wszechświecie”.
Dr David Elbaz, dyrektor ds. badań w CEA Paris-Saclay i współpracownik tego projektu, powiedział: „Masywne właściwości tych czerwonych potworów nie zostały określone przed JWST, ponieważ są one optycznie niewidoczne ze względu na tłumienie pyłu”.
Kamień milowy w obserwacjach galaktyk
Pascal Oesch, profesor nadzwyczajny na Wydziale Astronomii UNIGE i główny badacz programu obserwacyjnego, powiedział: „Nasze odkrycia podkreślają niezwykłą moc galaktyki NIRCam/ spektroskopia gryzmowa. 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.”
Choć odkrycia te nie są sprzeczne ze standardowym modelem kosmologicznym, rodzą pytania dotyczące teorii powstawania galaktyk, a w szczególności kwestii „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) teleskop zapewni dalszy wgląd w te ultramasywne Czerwone Potwory i odkryje większe próbki takich źródeł.
Dr Xiao powiedział: „Wyniki te wskazują, że galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogą tworzyć gwiazdy z nieoczekiwaną wydajnością. Gdy będziemy głębiej badać te galaktyki, dostarczą nam one nowego wglądu w warunki, które ukształtowały najwcześniejsze epoki Wszechświata. Czerwone Potwory to dopiero początek nowej ery w naszej eksploracji wczesnego Wszechświata.”
Profesor Wuyts dodał: „To właśnie jest wspaniałe w astronomii, że nieustannie zaskakują nas nowe odkrycia. Już w pierwszych latach swojej działalności JWST rzuciło nam w oczy kilka łbów. Pokazało nam to na wiele sposobów, że niektóre galaktyki dojrzewają szybko w pierwszych rozdziałach historii kosmosu.”
Więcej informacji na temat tego odkrycia można znaleźć w artykule Tajemnica „czerwonych potworów”: masywne wczesne galaktyki, które nie powinny istnieć.
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
