Інтенсивні, а не масові спалахи світла вирішують загадку неможливої яскравості. Коли вчені переглянули перші зображення ранніх галактик Всесвіту, отримані космічним телескопом Джеймса Вебба (JWST), вони були шоковані. Молоді галактики здавалися надто яскравими, надто масивними та надто зрілими, щоб утворитися так незабаром після Великого вибуху. Це було б схоже на те, як дитина перетворюється на дорослого всього за кілька років.
Вражаюче відкриття навіть змусило деяких фізиків засумніватися в стандартній моделі космології, питаючи, чи варто її перевернути.
Використовуючи нове моделювання, група астрофізиків під керівництвом Північно-Західного університету виявила, що ці галактики, ймовірно, зрештою не такі вже й масивні. Хоча яскравість галактики зазвичай визначається її масою, нові результати показують, що менш масивні галактики можуть світитися так само яскраво від нерегулярних яскравих спалахів зіркоутворення.
Це відкриття не лише пояснює, чому молоді галактики здаються оманливо масивними, а й вписуються у стандартну модель космології. Дослідження було опубліковано 3 жовтня в Astrophysical Journal Letters.
«Відкриття цих галактик стало великим сюрпризом, тому що вони виявилися значно яскравішими, ніж очікувалося», — сказав Клод-Андре Фоше-Жігер із Північно-Західного університету, старший автор дослідження. Зазвичай галактика яскрава, тому що вона велика. Але оскільки ці галактики утворилися під час космічного світанку, з Великого вибуху минуло недостатньо часу. Як могли ці масивні галактики зібратись так швидко?».
Фоше-Жигер — доцент кафедри фізики та астрономії Вайнберзького коледжу мистецтв та наук Північно-Західного університету та член Центру міждисциплінарних досліджень та досліджень у галузі астрофізики (CIERA). Сан є науковим співробітником CIERA у Північно-Західному університеті.
«Головне - відтворити достатню кількість світла в системі за короткий проміжок часу», - додав Гочао Сунь, який очолював дослідження. Це може статися або тому, що система дійсно масивна, або тому, що вона здатна швидко виробляти багато світла. В останньому випадку система не обов'язково має бути такою масивною. Якщо зіркоутворення відбувається спалахами, воно випромінюватиме спалахи світла. Саме тому ми бачимо кілька яскравих галактик».
Розуміння космічного світанку
Період, який тривав приблизно від 100 мільйонів до 1 мільярда років після Великого вибуху, космічний світанок відзначений утворенням перших зірок та галактик у Всесвіті. До запуску JWST в космос астрономи дуже мало знали про цей давній час.
«JWST приніс нам багато знань про космічний світанок», - сказав Сунь. «До JWST більшість наших знань про ранній Всесвіт була спекуляціями, заснованими на даних з дуже невеликої кількості джерел. Завдяки величезному збільшенню потужності спостережень ми можемо бачити фізичні деталі галактик та використовувати ці переконливі дані спостережень для вивчення фізики та розуміння того, що відбувається».
Розширене моделювання та результати
У новому дослідженні Сунь та Фоше-Жигер разом зі своєю командою використали передове комп'ютерне моделювання, щоб змоделювати формування галактик відразу після Великого вибуху. В результаті моделювання були створені космічні галактики світанку, які були такими ж яскравими, як і JWST. Моделювання є частиною проекту Feedback of Relativistic Environments (FIRE), який Фоше-Жигер заснував спільно зі співробітниками Каліфорнійського технологічного інституту, Прінстонського університету та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. У новому дослідженні беруть участь співробітники Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрон, Массачусетського технологічного інституту та Каліфорнійського університету в Девісі.
Моделювання FIRE поєднує в собі астрофізичну теорію та передові алгоритми для моделювання формування галактик. Моделі дозволяють вченим досліджувати, як галактики формуються, ростуть і змінюють форму, враховуючи при цьому енергію, масу, імпульс та хімічні елементи, що повертаються зірками.
Коли Сунь, Фоше-Жигер та їхня команда провели моделювання ранніх галактик, що сформувалися на космічному світанку, вони виявили, що зірки формуються спалахами — концепція, відома як «вибухова зіркоутворення». У масивних галактиках, таких як Чумацький Шлях, зірки формуються з постійною швидкістю, причому кількість зірок поступово збільшується. Але так зване вибухове зіркоутворення відбувається, коли зірки формуються поперемінній схемі: відразу багато зірок, за якими йдуть мільйони років дуже невеликої кількості нових зірок, а потім знову багато зірок.
«Вибухова зіркоутворення особливо поширена в галактиках з малою масою», — сказав Фауше-Жигер. «Деталі того, чому це відбувається, все ще є предметом досліджень, що продовжуються. Але ми думаємо, що відбувається таке: утворюється спалах зірок, а потім, через кілька мільйонів років, ці зірки вибухають як наднові. Газ викидається, а потім повертається назад, утворюючи нові зірки, запускаючи цикл зіркоутворення. Але коли галактики стають досить масивними, їхня гравітація стає набагато сильнішою. Коли наднові вибухають, вони недостатньо сильні, щоб викинути газ із системи. Гравітація утримує галактику разом і приводить її до стійкого стану».
Яскраві галактики та модель Всесвіту
Моделювання також змогло створити таку ж кількість яскравих галактик, як показало JWST. Іншими словами, кількість яскравих галактик, передбачена моделюванням, відповідає кількості яскравих галактик, що спостерігаються.
Хоча інші астрофізики припустили, що вибухове зіркоутворення може бути відповідальним за незвичайну яскравість галактик під час космічного світанку, дослідники Північно-Західного університету першими використали детальне комп'ютерне моделювання, щоб довести, що це можливо. І вони змогли зробити це без додавання нових факторів, які не відповідають нашій стандартній моделі Всесвіту.
«Велика частина світу в галактиці походить від найпотужніших зірок», — сказав Фоше-Жігер. «Оскільки масивніші зірки горять із вищою швидкістю, їхнє життя коротше. Вони швидко витрачають своє паливо у ядерних реакціях. Таким чином, яскравість галактики пов'язана з тим, скільки зірок вона сформувала за останні кілька мільйонів років, ніж з масою галактики в цілому».
