Kosmiczne latarnie wyjaśniają pierwotną mgłę zidentyfikowaną przez JWST

UNIVERSITY PARK, Pensylwania — Naukowcy korzystający z 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 wchodzi dwóch astrofizyków z Penn State, opublikował dziś (28 lutego) 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.

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. Następnie, około 500 do 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu, obojętny wodór – który dominował we wczesnym Wszechświecie – zaczął ponownie rozdzielać się na zjonizowany gaz, co pobudziło powstawanie gwiazd i galaktyk oraz wzniosło pierwotną mgłę, dzięki czemu światło mogło bez przeszkód przemieszczać się przez ich. . wszechświat po raz pierwszy.

„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 tak trwałe, że cały wszechświat ponownie został zjonizowany”.

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 równie powszechne i tak żywe jak te, to uważamy, że w końcu rozumiemy latarnie, które spaliły 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 na przestrzeni 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. „Te 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.”

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.

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 Bilateralnej, Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF), Ministerstwo Nauki i Technologii Izraela oraz NOIRLab, zarządzany przez Stowarzyszenie Uniwersytetów Badań Astronomicznych na mocy umowy o współpracy z NSF.