Teleskop Webba pokazuje, że wczesny Wszechświat był pęknięty wybuchami formowania się gwiazd

Wśród fundamentalnych pytań w astronomii: Jak powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki? Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarcza nowych informacji na to pytanie. Jednym z największych programów w pierwszym roku nauki Webba jest JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), który przeznaczy około 32 dni teleskopu na wykrywanie i charakteryzację słabych, odległych galaktyk. Podczas gdy dane wciąż napływają, JADES odkrył już setki galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 600 milionów lat. Zespół zidentyfikował również galaktyki pełne wielu młodych, gorących gwiazd.

Wyniki te są podawane w 242. spotkanie Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego W Albuquerque w Nowym Meksyku.

„Dzięki JADES chcemy odpowiedzieć na wiele pytań, takich jak: Jak powstały pierwsze galaktyki? Jak szybko powstały gwiazdy? Dlaczego niektóre galaktyki przestają tworzyć gwiazdy?” powiedziała Marcia Rickey z University of Arizona w Tucson, współprzewodnicząca programu JADES.

fabryki gwiazd

Ryan Endsley z University of Texas w Austin prowadził badania galaktyk, które istniały od 500 do 850 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Był to kluczowy czas znany jako era rejonizacji. Przez setki milionów lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był wypełniony gazową mgłą, która czyniła go nieprzejrzystym dla energetycznego światła. Miliard lat po Wielkim Wybuchu mgła opadła, a wszechświat stał się przezroczysty, w procesie znanym jako rejonizacja. Naukowcy debatowali, czy główną przyczyną rejonizacji są aktywne supermasywne czarne dziury, czy też galaktyki pełne gorących, młodych gwiazd.

W ramach programu JADES Endsley i jego współpracownicy badali te galaktyki za pomocą instrumentu Webba NIRSpec (spektrometr bliskiej podczerwieni) w celu poszukiwania sygnatur formowania się gwiazd — i znajdują ich w obfitości. „Prawie każda galaktyka, którą wykryliśmy, pokazuje te niezwykle silne sygnały linii emisyjnych, które wskazują na intensywne niedawne formowanie się gwiazd. Te wczesne galaktyki były bardzo dobre w tworzeniu masywnych, gorących gwiazd” – powiedział Endsley.

Te masywne, jasne gwiazdy emitują strumienie światła ultrafioletowego, które zmieniły otaczający gaz z nieprzezroczystego w przezroczysty przez jonizujące atomy, usuwając elektrony z ich jąder. Ponieważ te wczesne galaktyki miały tak dużą liczbę gorących, masywnych gwiazd, mogły być głównymi motorami procesu rejonizacji. Późniejsza rekombinacja elektronów i jąder skutkuje charakterystycznie silnymi liniami emisyjnymi.

Endsley i współpracownicy znaleźli również dowody na to, że te małe galaktyki przechodziły okresy szybkiego formowania się gwiazd przeplatane okresami ciszy, kiedy formowało się mniej gwiazd. Te wybuchy i inicjacje mogły mieć miejsce, gdy galaktyki przechwytywały skupiska gazowego surowca potrzebnego do formowania się gwiazd. Alternatywnie, ponieważ masywne gwiazdy eksplodują szybko, mogą okresowo wprowadzać energię do otaczającego środowiska, zapobiegając kondensacji gazu w celu utworzenia nowych gwiazd.

Ujawniono wczesny wszechświat

Kolejnym elementem programu JADES jest poszukiwanie najstarszych galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż 400 milionów lat. Badając te galaktyki, astronomowie mogą zbadać, w jaki sposób formowanie się gwiazd we wczesnych latach po Wielkim Wybuchu różniło się od tego, co obserwujemy obecnie. Światło z odległych galaktyk jest rozciągane do dłuższych fal i bardziej czerwonych kolorów w wyniku rozszerzania się wszechświata – zjawisko zwane przesunięciem ku czerwieni. Mierząc przesunięcie ku czerwieni galaktyki, astronomowie mogą dowiedzieć się, jak daleko znajduje się ta galaktyka, a tym samym, jak długo istniała we wczesnym wszechświecie. Przed Webbem obserwowano tylko kilkadziesiąt galaktyk powyżej przesunięcia ku czerwieni równego 8, gdy Wszechświat miał mniej niż 650 milionów lat, ale JADES odkrył teraz prawie tysiąc takich niezwykle odległych galaktyk.

Złoty standard określania przesunięcia ku czerwieni polega na spojrzeniu na widmo galaktyki, które mierzy jej jasność w niezliczonych blisko rozmieszczonych długościach fal. Ale dobre przybliżenie można określić, robiąc zdjęcia galaktyki za pomocą filtrów, z których każdy obejmuje wąski zakres kolorów dla kilku pomiarów jasności. W ten sposób naukowcy mogą określić szacunkową odległość dla kilku tysięcy galaktyk jednocześnie.

Kevin Hainline z University of Arizona w Tucson wraz ze współpracownikami wykorzystał instrument Webba NIRCam (Near Infrared Camera) do wykonania tych pomiarów, zwanych fotonicznym przesunięciem ku czerwieni, i zidentyfikował ponad 700 kandydujących galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał od 370 do 650 milionów lat. . . rok. Sama liczba tych galaktyk znacznie przerosła oczekiwania wynikające z obserwacji wykonanych przed wystrzeleniem Webba. Niezwykła rozdzielczość i czułość obserwatorium pozwalają astronomom uzyskać lepszy widok tych odległych galaktyk niż kiedykolwiek wcześniej.

„Wcześniej pierwsze galaktyki, które mogliśmy zobaczyć, wyglądały jak małe smugi” – powiedział Heinlein. „Jednak te smugi reprezentują miliony, a nawet miliardy gwiazd we wczesnym Wszechświecie”. „Teraz możemy zobaczyć, że niektóre z nich są w rzeczywistości rozciągłymi obiektami o widocznej strukturze. Widzimy gromady gwiazd rodzące się zaledwie kilkaset milionów lat po początku czasu”.

„Odkryliśmy, że formowanie się gwiazd we wczesnym wszechświecie jest znacznie bardziej złożone niż myśleliśmy” – dodał Ricke.