Webb odkrywa starożytne galaktyki, których nie da się wytłumaczyć

Naukowcy zbadali trzy tajemnicze obiekty we wczesnym wszechświecie. Powyżej pokazane są ich kolorowe zdjęcia, zebrane z trzech pasm filtrów NIRCam na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Są zauważalnie zwarte w zakresie fal czerwonych (co zyskało miano „małych czerwonych kropek”), z pewnymi oznakami struktury przestrzennej w zakresie fal niebieskich. Prawa autorskie: Bingjie Wang/Penn State

NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Ujawnił tajemnicze obiekty we wczesnym wszechświecie, które podważają obecne teorie galaktyk i masywnych planet. Czarna dziura rozwój.

Obiekty te zawierają starożytne gwiazdy i masywne czarne dziury, znacznie większe niż oczekiwano, co wskazuje na szybką i niekonwencjonalną formę wczesnego powstawania galaktyk. Wyniki podkreślają znaczne rozbieżności z obecnymi modelami, a unikalne właściwości obiektów wskazują na złożoną wczesną historię kosmiczną.

Niesamowite odkrycie na początku wszechświata

Niedawne odkrycie dokonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba potwierdziło, że niezwykle czerwone, świecące obiekty wykryte wcześniej we wczesnym Wszechświecie podważają długo utrzymywane poglądy na temat pochodzenia i ewolucji galaktyk oraz ich supermasywnych czarnych dziur.

Kierowany przez badaczy z Penn State i wykorzystując instrument NIRSpec na JWST w ramach przeglądu RUBIES, międzynarodowy zespół zidentyfikował trzy tajemnicze obiekty sprzed 600–800 milionów lat wielka eksplozjaW czasach, gdy Wszechświat miał zaledwie 5% swojego obecnego wieku. O odkryciu ogłosili 27 czerwca w magazynie Listy do dzienników astrofizycznych.

Naukowcy przeanalizowali pomiary spektroskopowe, czyli intensywność różnych długości fal światła emitowanego przez obiekty. Ich analiza wykazała sygnatury „starych” gwiazd, mających setki milionów lat, znacznie starszych, niż oczekiwano w młodym wszechświecie.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) oferuje wgląd w odległą przeszłość Wszechświata, rejestrując obrazy pierwszych galaktyk i gwiazd we Wszechświecie, które powstały ponad 13,5 miliarda lat temu. Źródło zdjęcia: NASA-Goddard Space Science Center, Adriana M. Gutierrez (laboratorium CI)

Nieoczekiwane odkrycia w ewolucji galaktycznej

Naukowcy stwierdzili, że byli również zaskoczeni odkryciem śladów supermasywnych czarnych dziur w tych samych obiektach, które według ich szacunków są od 100 do 1000 razy masywniejsze niż supermasywna czarna dziura w naszej galaktyce. droga MlecznaNie oczekuje się, aby coś takiego miało miejsce w obecnych modelach wzrostu galaktyk i powstawania supermasywnych czarnych dziur, które przewidują wspólne powiększanie się galaktyk i ich czarnych dziur na przestrzeni miliardów lat historii Wszechświata.

„Potwierdziliśmy, że obiekty te wydają się być pełne starożytnych gwiazd – mających setki milionów lat – we wszechświecie mającym zaledwie 600–800 milionów lat” – powiedział Bingyi Wang, badacz ze stopniem doktora w Penn State i główny autor książki badanie. „Te obiekty są rekordem najstarszych śladów starożytnego światła gwiazd”. „Znalezienie starożytnych gwiazd w tak młodym wszechświecie było zupełnie nieoczekiwane. Standardowe modele kosmologii i powstawania galaktyk okazały się niezwykle skuteczne, jednak te świecące obiekty nie pasują wygodnie do tych teorii”.

Naukowcy po raz pierwszy odkryli masywne obiekty w lipcu 2022 r., kiedy opublikowano wstępny zbiór danych z JWST. Zespół opublikował artykuł badawczy w Natura Kilka miesięcy później ogłoszono istnienie tych rzeczy.

Wyzwania obserwacji kosmicznych

W tamtym czasie badacze podejrzewali, że obiekty te są galaktykami, ale kontynuowali analizę, pobierając widma, aby lepiej zrozumieć prawdziwe odległości obiektów, a także źródła zasilające ich masywne światło.

Następnie naukowcy wykorzystali nowe dane do uzyskania wyraźniejszego obrazu tego, jak wyglądają galaktyki i co się w nich znajduje. Zespół nie tylko potwierdził, że galaktyki te były w rzeczywistości galaktykami na początku dziejów, ale także znalazł dowody na istnienie zaskakująco masywnych czarnych dziur i zaskakująco starożytnej populacji gwiazd.

„To bardzo zagadkowe” – powiedział Joel Lyga, adiunkt astronomii i astrofizyki w Penn State i współautor obu artykułów. „Można to dopasować do naszego obecnego modelu Wszechświata, ale tylko wtedy, gdy go wymyślimy szalenie szybkie, dziwne formacje na początku Czasu. To bez wątpienia najbardziej niezwykła i interesująca kolekcja obiektów, jaką kiedykolwiek widziałem w mojej karierze.

Teleskop Jamesa Webba został zaprojektowany do obserwacji zjawisk, które miały miejsce bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, wykorzystując swoje zaawansowane możliwości w podczerwieni do zaglądania przez kosmiczny pył i wykrywania ukrytych struktur w przestrzeni. Prawa autorskie: Northrop Grumman

Sekrety starożytnych struktur galaktycznych

Teleskop Jamesa Webba jest wyposażony w czujniki podczerwieni zdolne do wykrywania światła emitowanego przez najstarsze gwiazdy i galaktyki. Lega powiedział, że teleskop ten pozwala naukowcom zobaczyć, co wydarzyło się w przeszłości około 13,5 miliarda lat temu, czyli u początków wszechświata, jaki znamy.

Jednym z wyzwań związanych z analizą starożytnego światła jest to, że rozróżnienie typów obiektów, które mogły emitować światło, może być trudne. W przypadku tych wczesnych obiektów mają one wyraźne cechy zarówno masywnych czarnych dziur, jak i starożytnych gwiazd. Jednakże, jak wyjaśnił Wang, nie jest jeszcze jasne, ile obserwowanego światła pochodzi z każdego z nich – co oznacza, że ​​mogą to być nieoczekiwanie starożytne wczesne galaktyki, które są jeszcze bardziej masywne niż nasza Droga Mleczna i powstają znacznie wcześniej, niż przewidują modele, lub mogą Bardziej naturalnie masywne galaktyki zawierałyby „supermasywne” czarne dziury, około 100 do 1000 razy masywniejsze niż dzisiejsze galaktyki.

„Rozróżnienie światła emitowanego przez materię wpadającą do czarnej dziury od światła emitowanego przez gwiazdy w tych małych, odległych obiektach jest bardzo trudne” – powiedział Wang. „Brak możliwości odróżnienia różnicy w bieżącym zbiorze danych pozostawia wiele miejsca Szczerze mówiąc, brzmi ona: „To ekscytujące, że tak duża część tej tajemnicy pozostaje nierozwiązana”.

Pomijając ich niewytłumaczalną masę i wiek, jeśli część światła rzeczywiście pochodzi z supermasywnych czarnych dziur, nie są to zwykłe supermasywne czarne dziury. Wytwarzają znacznie więcej fotonów ultrafioletowych, niż oczekiwano, a podobnym obiektom badanym za pomocą innych instrumentów brakuje cech charakterystycznych supermasywnych czarnych dziur, takich jak gorący pył i jasna emisja promieniowania rentgenowskiego. Jednak być może najbardziej zaskakujące, jak twierdzą naukowcy, jest jego wielkość.

„Supermasywne czarne dziury są zwykle kojarzone z galaktykami” – powiedziała Lyja. „Rosną razem i wspólnie przechodzą przez wszystkie najważniejsze doświadczenia życiowe, ale tutaj mamy do czynienia z w pełni rozwiniętą dorosłą czarną dziurą żyjącą wewnątrz czegoś, co powinno być małą galaktyką to naprawdę nie ma sensu, bo te rzeczy: „Musicie razem dorastać, a przynajmniej tak nam się wydawało”.

Badaczy zaintrygował także niezwykle mały rozmiar tych układów, które mają zaledwie kilkaset lat świetlnych średnicy, czyli prawie tysiąc razy mniej niż nasza Galaktyka Droga Mleczna. Liczba gwiazd w tych układach jest w przybliżeniu taka sama, jak liczba gwiazd w naszej Galaktyce Drogi Mlecznej – liczba gwiazd w tych układach waha się od dziesięciu miliardów do bilionów gwiazd – ale ograniczają się one do objętości około tysiąc razy mniejszej niż Galaktyka Drogi Mlecznej.

Leija wyjaśniła, że ​​gdybyśmy wzięli Drogę Mleczną i skompresowali ją do rozmiarów znalezionych galaktyk, najbliższa gwiazda znajdowałaby się w przybliżeniu w naszym Układzie Słonecznym. Jeśli chodzi o supermasywną czarną dziurę w centrum Galaktyki Drogi Mlecznej, która znajduje się około 26 000 lat świetlnych od Ziemi, będzie znajdować się zaledwie około 26 lat świetlnych od Ziemi i będzie widoczna na niebie jako gigantyczna kolumna światła .

„Te wczesne galaktyki były pełne gwiazd – gwiazd, które musiały uformować się w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie widzieliśmy, w warunkach, których się nie spodziewaliśmy, w okresie, w którym nigdy nie spodziewaliśmy się ich zobaczyć” – stwierdziła Lyja. Z jakiegoś powodu Wszechświat przestał wytwarzać takie rzeczy zaledwie po kilku miliardach lat. „To coś wyjątkowego we wczesnym wszechświecie”.

Naukowcy mają nadzieję przeprowadzić więcej obserwacji, które ich zdaniem mogą pomóc w wyjaśnieniu niektórych tajemnic obiektów. Planują zbadać głębsze widma, kierując teleskop na obiekty przez dłuższy czas, co pomoże rozwikłać emisje z gwiazd i ewentualnej supermasywnej czarnej dziury poprzez identyfikację specyficznych sygnatur absorpcji, które mogą być obecne w każdym z nich.

„Jest inny sposób, w jaki możemy dokonać przełomu i to jest słuszny pomysł” – stwierdziła Lega. „Mamy wszystkie te elementy układanki i można je rozwiązać tylko wtedy, gdy zignorujemy fakt, że niektóre z nich mogą się zepsuć. Ten problem można rozwiązać za pomocą geniuszu, który do tej pory umykał nam, wszystkim naszym kolegom i całej nauce wspólnota.”

Odniesienie: „RUBINY: Gromady gwiazd z rozszerzoną historią formowania się w z ∼ 7–8 ewoluowały w kandydatów na masywne galaktyki zidentyfikowane za pomocą JWST/NIRSpec” Bingjie Wang, 冰洁王, Joel Leja, Anna de Graaff, Gabriel B. Brammer, Andrea Weibel, Pieter van Dokkum, Josephine F. W. Baggen, Katherine A. Suess, Jenny E. Greene, Rachel Bezanson, Nikko J. Cleri, Michaela Hirschmann, Ivo Labbé, Jorryt Matthee, Ian McConachie, Rohan P. Naidu, Erica Nelson, Pascal A Oesch, David J. Setton i Christina C. Williams, 26 czerwca 2024 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7

Wang i Lija otrzymali fundusze z programu obserwatorów publicznych NASA. Badania wsparł także Międzynarodowy Instytut Nauk Kosmicznych w Bernie. Praca opiera się częściowo na obserwacjach przeprowadzonych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA, Europejskiej Agencji Kosmicznej i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej. Obliczenia niezbędne do badań przeprowadzono na superkomputerze Rohr Instytutu Informatyki i Nauki o Danych na Penn State University.

Współautorami badań są Anna de Graaf z Instytutu Astronomii Maxa Plancka w Niemczech; Gabriel Brammer z Centrum Cosmic Dawn i Instytutu Nielsa Bohra; Andrea Fiebel i Pascal Ochs z Uniwersytetu Genewskiego; oraz Nico Cleary, Michaela Hirschmann, Peter van Dokkum i Rohan Naidu z Uniwersytetu Genewskiego. Uniwersytet Yale; Ivo Lappé z Uniwersytetu Stanforda; Jorrit Mathie i Jenny Green z Uniwersytet PrincetonIan McConachie i Rachel Bezanson z Uniwersytetu w Pittsburghu; Josephine Baggin z Texas A&M University; Catherine Suss z Obserwatorium Soverny w Szwajcarii; David Seaton z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w MIT; Erica Nelson z Uniwersytetu Kolorado; oraz Christina Williams z Narodowego Laboratorium Badawczego Astronomii Optycznej w Podczerwieni amerykańskiej National Science Foundation i Uniwersytetu w Arizonie.