Webb confirmă: galaxii mari și strălucitoare s-au format la scurt timp după Big Bang

Cresc atat de repede –

Structura galaxiei exclude devreme, obiectele strălucitoare erau găuri negre supermasive.

Unul dintre lucrurile pentru care a fost proiectat telescopul spațial James Webb a fost să se uite la unele dintre cele mai vechi obiecte din Univers. Și a reușit deja spectaculos, imaginând galaxiile așa cum au existat la doar 250 de milioane de ani după Big Bang. Dar aceste galaxii erau mici, compacte și similare ca amploare cu ceea ce am considera astăzi o galaxie pitică, ceea ce a făcut dificilă determinarea a ceea ce producea lumina lor: stele sau o gaură neagră supermasivă care se hrănește activ în miezul lor.

Săptămâna aceasta, Nature publică confirmarea că unele galaxii suplimentare pe care le-am fotografiat datează de la doar 300 de milioane de ani după Big Bang. În mod critic, una dintre ele este strălucitoare și relativ mare, permițându-ne să deducem că cea mai mare parte a luminii sale provenea dintr-un halou de stele care înconjura miezul său, mai degrabă decât să provină din aceeași zonă cu gaura neagră centrală. Descoperirea implică faptul că s-a format printr-o explozie continuă de formare de stele care a început la doar 200 de milioane de ani după Big Bang.

Verificări de vârstă

Galaxiile în cauză au fost fotografiate pentru prima dată în timpul programului de imagistică JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), care include o parte a zonei fotografiate pentru Câmpul ultraprofund Hubble. Inițial, galaxiile vechi au fost identificate prin utilizarea unei combinații de filtre pe una dintre camerele de imagine cu infraroșu ale Webb.

Cea mai mare parte a Universului este alcătuită din hidrogen, iar determinarea vârstei galaxiilor timpurii implică căutarea celor mai energice tranziții ale electronului hidrogenului, numite seria Lyman. Aceste tranziții produc fotoni care se află în zona UV a spectrului. Dar deplasarea spre roșu a luminii care a călătorit de miliarde de ani va muta acești fotoni în zona infraroșu a spectrului, ceea ce Webb a fost proiectat să detecteze.

Ceea ce arată în practică este că materialul dominat de hidrogen va emite o gamă largă de lumină până la cea mai mare energie de tranziție Lyman. Deasupra acestei energii, fotonii vor fi rari (pot fi încă produși de lucruri precum procese care accelerează particulele). Acest punct din spectrul de energie se numește „ruptură Lyman”, iar locația sa pe spectru se va schimba în funcție de cât de îndepărtată este sursa – cu cât distanța până la sursă este mai mare, cu atât va apărea mai adânc în infraroșu ruptura.

Studiile inițiale au verificat pentru întreruperea Lyman folosind filtre de pe camerele lui Webb, care au tăiat diferite zone ale spectrului IR. Cercetătorii au căutat obiecte care au apărut la energii scăzute, dar au dispărut atunci când a fost schimbat un filtru care a selectat fotonii infraroșii de energie mai mare. Diferența de energii dintre fotonii lăsați să treacă de cele două filtre poate oferi o estimare aproximativă a locului în care ruptura Lyman. trebuie să fie.

Localizarea pauzei Lyman necesită imagistică cu un spectrograf, care poate eșantiona întregul spectru de lumină în infraroșu apropiat. Din fericire, Webb a făcut-o unul din aceia, de asemenea. Studiul recent publicat a implicat transformarea NIRSpec în trei galaxii timpurii găsite în imaginile JADES.

Prea multe, prea devreme

Cercetătorii implicați în analiză au ajuns doar cu date de la două dintre aceste galaxii. NIRSpec nu adună atât de multă lumină cât poate una dintre camerele lui Webb, așa că cea mai slabă dintre cele trei pur și simplu nu a produs suficiente date pentru a permite analiza. Celelalte două, totuși, au produs date foarte clare care au plasat galaxiile la o măsură de deplasare spre roșu de aproximativ z = 14, ceea ce înseamnă că le vedem așa cum arătau la 300 de milioane de ani după Big Bang. Ambele arată pauze Lyman ascuțite, cu cantitatea de lumină scăzând treptat pe măsură ce vă deplasați mai departe în partea cu energie inferioară a spectrului.

Există un mic indiciu de emisii de la atomii de carbon puternic ionizați într-una dintre galaxii, dar niciun semn de alte elemente specifice în afara hidrogenului.

Una dintre cele două galaxii era destul de compactă, atât de asemănătoare cu celelalte galaxii ale acestei epoci pe care le confirmasem anterior. Dar celălalt, JADES-GS-ZZ14-0, era destul de distinct. Pentru început, este extrem de strălucitoare, fiind a treia cea mai luminoasă galaxie îndepărtată din sutele pe care le-am fotografiat până acum. Și este suficient de mare încât nu este posibil ca toată lumina sa să provină din miez. Acest lucru exclude posibilitatea ca ceea ce ne uităm să fie o vedere neclară a unui nucleu galactic activ alimentat de o gaură neagră supermasivă care se hrănește cu material.

În schimb, o mare parte din lumina pe care o privim pare să-și aibă originea în stelele lui JADES-GS-ZZ14-0. Majoritatea acestor stele sunt tinere și se pare că există foarte puțin din praful care caracterizează galaxiile moderne. Cercetătorii estimează că formarea stelelor a început cu cel puțin 100 de milioane de ani mai devreme (adică la doar 200 de milioane de ani după Big Bang) și a continuat într-un ritm rapid în timpul intermediar.

În combinație cu datele anterioare, cercetătorii scriu că acest lucru confirmă că „galaxiile luminoase și masive existau deja la doar 300 de ani. [million years] după Big Bang, iar densitatea lor numerică este de peste zece ori mai mare decât extrapolările bazate pe observațiile pre-JWST.” Cu alte cuvinte, în Universul timpuriu existau mult mai multe galaxii decât am crezut, ceea ce ar putea pune unele probleme pentru înțelegerea noastră a conținutului Universului și a evoluției lor.

Între timp, descoperirea timpurie a galaxiei extrem de strălucitoare implică faptul că există o serie de altele similare care așteaptă descoperirea noastră. Aceasta înseamnă că va fi o mare cerere de timp pentru NIRSpec în următorii ani.

Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07860-9 (Despre DOI).