„Kosmiczne latarnie morskie” – Webb odkrywa tajemnice pierwszego światła wszechświata

Pionierskie obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniają kluczową rolę galaktyk o małej masie w rejonizacji wczesnego Wszechświata, kwestionując istniejące teorie ewolucji kosmicznej.

Naukowcy pracujący na danych z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) uzyskali pierwsze pełne widma niektórych z najstarszych świateł gwiazd we wszechświecie. Obrazy dają najjaśniejszy jak dotąd obraz nowonarodzonych galaktyk o bardzo małej masie, które powstały niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu, i sugerują, że młode galaktyki odgrywają kluczową rolę w historii powstania kosmosu.

Międzynarodowy zespół badaczy, w skład którego wchodziło dwóch astrofizyków z Penn State, opublikował niedawno swoje odkrycia w czasopiśmie Natura. Widma ujawniają część pierwszego światła widzialnego z okresu we Wszechświecie znanego jako rejonizacja, który był napędzany pojawieniem się pierwszych gwiazd i galaktyk.

Zdjęcia głębokiego pola wykonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczyły pierwszych przebłysków niezwykle słabych galaktyk, które badacze zidentyfikowali jako silnych kandydatów na obiekty, które zapoczątkowały rejonizację Wszechświata. Źródło obrazu: Hakim Atiq/Uniwersytet Sorbonne/JWST

Pierwotny wszechświat: przejście od ciemności do światła

Normalna materia we wszechświecie zaczęła się jako gorąca, gęsta mgła złożona prawie wyłącznie z jąder wodoru i helu, wyjaśnia Joel Lyga, adiunkt astronomii i astrofizyki w Penn State oraz autor artykułu. W miarę rozszerzania się i ochładzania poszczególne protony i elektrony zaczęły się łączyć, tworząc po raz pierwszy obojętny wodór. Około 500 do 900 milionów lat później wielka eksplozjaNeutralny wodór, który dominował we wczesnym Wszechświecie, zaczął ponownie rozdzielać się na zjonizowany gaz, stymulując powstawanie gwiazd i galaktyk oraz unosząc pierwotną mgłę, dzięki czemu światło po raz pierwszy mogło bez przeszkód podróżować przez Wszechświat.

„Coś zostało uruchomione i zaczęło pompować fotony o bardzo wysokiej energii w próżnię pomiędzy galaktykami” – powiedziała Lyga. „Źródła te działały jak kosmiczne latarnie, które spalały neutralną mgłę wodorową. Cokolwiek to było, było tak energetyczne i trwałe, że cały wszechświat ponownie został zjonizowany.”

Pionierzy galaktyk: rola galaktyk o małej masie

Analizując widma małych galaktyk o małej masie, naukowcy wykazali, że małe galaktyki są mocnymi kandydatami na „rzecz”, która ponownie zjonizowała Wszechświat poprzez ogrzewanie otaczającego je gęstego pierwotnego gazu i jonizację wcześniej obojętnego wodoru.

„Jeśli inne galaktyki o małej masie we wszechświecie są tak powszechne i tak żywe jak te, to uważamy, że w końcu dotarliśmy do latarni, które wypaliły kosmiczną mgłę” – powiedziała Lyga. „Były to niezwykle aktywne gwiazdy w wielu, wielu małych galaktykach.”

Leija dodała, że ​​większość galaktyk we wczesnym Wszechświecie będzie stosunkowo mała, co bardzo utrudnia badanie ich częstotliwości i właściwości. Dzięki przełomowi technologicznemu możliwemu dzięki unikalnemu połączeniu czułości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i efektu soczewkowania grawitacyjnego gromady Abell 2744 – pobliskich galaktyk, które działają jak kosmiczne lupy, zniekształcając przestrzeń i wzmacniając światło galaktyk tła – możliwe jest teraz określenie liczebności małych galaktyk i ich właściwości jonizujących w ciągu miliarda lat – po raz pierwszy we wszechświecie.

„Odkryliśmy, że w epoce rejonizacji Wszechświata liczba małych galaktyk przewyższa liczbę galaktyk masywnych o około sto do jednego” – Hakim Atiq, astrofizyk na Uniwersytecie Sorbonne, badacz w paryskim Instytucie Astrofizyki i pierwszy autor artykułu, – napisano w komunikacie prasowym. „Nowe obserwacje ujawniają również, że te małe galaktyki wytworzyły dużą ilość fotonów jonizujących, przekraczającą czterokrotnie wartości podstawowe zwykle przyjmowane dla odległych galaktyk. Oznacza to, że całkowity strumień fotonów jonizujących emitowanych przez te galaktyki znacznie przekracza wymagany próg dla rejonizacji”.

Wykres ewolucji kosmicznej: przyszłe kierunki

Zespół z Penn State kierował modelowaniem na potrzeby przeglądu UNCOVER, którego celem była duża gromada galaktyk na pierwszym planie, która fotografowała mniejsze, bardziej odległe galaktyki. Naukowcy z Penn State przeanalizowali wszystkie maleńkie punkty świetlne na skanie, aby poznać właściwości obiektu, a także jego masę i prawdopodobne odległości. Analiza ta została następnie wykorzystana do opracowania bardziej szczegółowych obserwacji JWST, które doprowadziły do ​​tego odkrycia – wyjaśniła Lija.

Przed tymi wynikami istniało wiele hipotez identyfikujących inne źródła odpowiedzialne za kosmiczną rejonizację, takie jak supermasywne czarne dziury; Duże galaktyki o masie większej niż miliard mas Słońca; Oraz małe galaktyki o masie mniejszej niż miliard mas Słońca. Naukowcy stwierdzili, że potwierdzenie hipotezy dotyczącej galaktyk o małej masie okazało się szczególnie trudne, biorąc pod uwagę ich niską jasność, ale nowe wyniki dostarczają najwyraźniejszego jak dotąd dowodu na to, że galaktyki o małej masie odegrały kluczową rolę w rejonizacji Wszechświata.

Naukowcy chcą teraz rozszerzyć badania na większą skalę, aby mieć pewność, że analizowana przez nich lokalizacja reprezentuje średni rozkład galaktyk we wszechświecie. Poza procesem rejonizacji ich obserwacje dostarczają wglądu w proces wczesnego powstawania gwiazd, w jaki sposób galaktyki powstały z pierwotnego gazu i jak ewoluowały we wszechświat, który znamy dzisiaj.

Odniesienie: „Większość fotonów, które zjonizowały Wszechświat, pochodziła z galaktyk karłowatych” – Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Wasilij Kokoriew, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williamsa, Sama E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. GreenJoel LeijaMichael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich i Erika J. Nelsona, Themii Nanayakkara i Daniela B. Starka, Mauro Stefanone i Katherine A. Suss, Bingjie Wang i Catherine E. Whitakera, 28 lutego 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, doktor habilitowany w dziedzinie astrofizyki, jest drugim współautorem badania z Penn State. Pełna lista autorów i ich instytucji dostępna jest w opublikowanym artykule. Naukowcy dziękują za finansowanie i wsparcie ze strony francuskiego Narodowego Centrum Studiów Kosmicznych, Krajowego Programu Kosmologii i Galaktyk, CEA, Centrum Kosmicznego Świtu, Duńskiej Narodowej Fundacji Badań, Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych, NOW, Programu Rosalind Franklin Instytutu Wspólny Fundusz Komisji Europejskiej i Uniwersytet w Groningen. Amerykańsko-Izraelska Narodowa Fundacja Nauki, Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF), Ministerstwo Nauki i Technologii, Izrael i NOIRLabZarządza nim Konsorcjum Uniwersytetów Badawczych w Astronomii na mocy umowy o współpracy z NSF.