Astrophysiker erklären die „unmögliche“ Helligkeit der kosmischen Morgendämmerung

Bilder früher Galaxien, die vom James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurden, haben eine unerwartete Helligkeit offenbart, die Fragen zu unserem kosmischen Verständnis aufwirft. Von der Northwestern University durchgeführte Simulationen deuten darauf hin, dass die Helligkeit dieser Galaxien eher auf die intermittierende Sternentstehung als auf ihre massive Größe zurückzuführen ist, was mit aktuellen kosmologischen Modellen übereinstimmt.

Es sind intensive Lichtblitze, nicht Massenblitze, die das unmögliche Helligkeitsrätsel lösen.

Als Wissenschaftler hinschauten James Webb-WeltraumteleskopDie ersten Bilder des JWST von den ersten Galaxien des Universums schockierten sie. Die jungen Galaxien schienen zu hell, zu massereich und zu reif, als dass sie sich so kurz nach dem Urknall gebildet hätten. Es wird so sein, als würde ein Baby in nur zwei Jahren zu einem Erwachsenen heranwachsen.

Eine erstaunliche Entdeckung sogar Dies veranlasste einige Physiker, das Standardmodell der Kosmologie in Frage zu stellenfrage mich, ob es umgedreht werden sollte oder nicht.

Galaxienhelligkeit versus Masse

Mithilfe einer neuen Simulation, a Nordwestliche UniversitätEin Team von Astrophysikern hat nun herausgefunden, dass diese Galaxien wohl doch nicht sehr massereich sind. Obwohl die Helligkeit einer Galaxie normalerweise durch ihre Masse bestimmt wird, deuten neue Ergebnisse darauf hin, dass weniger massereiche Galaxien aufgrund unregelmäßiger, brillanter Sternentstehungsausbrüche genauso hell leuchten können.

Diese Entdeckung erklärt nicht nur, warum kleine Galaxien so täuschend klein erscheinen, sondern passt auch in das Standardmodell der Kosmologie.

Die Studie wurde am 3. Oktober veröffentlicht Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Künstlerische Darstellung früher Sterngalaxien. Das Bild wird durch die in dieser Forschung verwendeten FIRE-Simulationsdaten geliefert, die die jüngsten JWST-Ergebnisse erklären könnten. Sterne und Galaxien erscheinen als helle weiße Lichtpunkte, während dunkle Materie und diffusere Gase in Lila und Rot erscheinen. Quelle: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA+IT-RCDS

„Die Entdeckung dieser Galaxien war eine große Überraschung, weil sie viel heller waren als erwartet“, sagte Claude-André Foucher-Géguier, der leitende Autor der Studie von der Northwestern University. „Normalerweise ist eine Galaxie hell, weil sie groß ist. Aber weil diese Galaxien im kosmischen Morgengrauen entstanden sind, ist seitdem nicht genug Zeit vergangen.“ die große Explosion. Wie können sich diese massereichen Galaxien so schnell zusammenballen? Unsere Simulationen zeigen, dass Galaxien kein Problem damit haben, diese Helligkeit mit der kosmischen Morgendämmerung zu formen.

„Der Schlüssel liegt darin, innerhalb kurzer Zeit eine ausreichende Lichtmenge im System zu reproduzieren“, fügte Zhao Zhao Sun hinzu, der die Studie leitete. „Dies könnte entweder daran liegen, dass das System wirklich massereich ist, oder weil es die Fähigkeit besitzt, schnell viel Licht zu erzeugen. Im letzteren Fall muss das System nicht so massereich sein. Wenn die Sternentstehung in Ausbrüchen erfolgt, wird es emittieren.“ Lichtblitze.“ Deshalb sehen wir so viele sehr helle Galaxien.

Faucher Giguere ist außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der Northwestern University Weinberg College of Arts and Sciences Und ein Mitglied von Interdisziplinäres Explorations- und Forschungszentrum für Astrophysik (Gehen). Sun ist CIERA-Postdoktorand an der Northwestern University.

Die kosmische Morgendämmerung verstehen

Die kosmische Morgendämmerung ist ein Zeitraum, der etwa 100 Millionen Jahre bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall dauert und durch die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien im Universum gekennzeichnet ist. Bevor das James-Webb-Weltraumteleskop ins All geschossen wurde, wussten Astronomen nur sehr wenig über diese antike Zeitperiode.

„Das James Webb-Weltraumteleskop hat uns viel Wissen über die kosmische Morgendämmerung gebracht“, sagte Sun. „Vor dem James-Webb-Weltraumteleskop waren die meisten unserer Kenntnisse über das frühe Universum Spekulationen, die auf Daten aus sehr wenigen Quellen basierten. Mit der enormen Zunahme der Beobachtungsleistung können wir physikalische Details über Galaxien erkennen und aussagekräftige Beobachtungsbeweise für das Studium der Physik nutzen.“ verstehen, was passiert.“

Erweiterte Simulation und Ergebnisse

In der neuen Studie verwendeten Sun, Foucher-Géger und ihr Team fortschrittliche Computersimulationen, um zu modellieren, wie sich Galaxien unmittelbar nach dem Urknall bildeten. Die Simulationen ergaben kosmische Morgengalaxien, die genauso hell waren wie die vom James Webb-Weltraumteleskop beobachteten. Simulationen sind Teil davon Feedback aus relativen Umgebungen Das FIRE-Projekt, das Faucher-Géger gemeinsam mit Mitarbeitern am Caltech gründete, Princeton Universität, und University of California, San Diego. An der neuen Studie sind Mitarbeiter des Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute, des Massachusetts Institute of Technology und der University of California, Davis beteiligt.

FIRE-Simulationen kombinieren astrophysikalische Theorie mit fortschrittlichen Algorithmen zur Modellierung der Galaxienentstehung. Mit diesen Modellen können Forscher untersuchen, wie Galaxien entstehen, wachsen und ihre Form ändern, wobei sie die Energie, Masse, den Impuls und die chemischen Elemente berücksichtigen, die von den Sternen zurückkehren.

Als Sun, Fouché-Géger und ihr Team Simulationen durchführten, um frühe Galaxien zu modellieren, die sich im kosmischen Morgengrauen bildeten, entdeckten sie, dass sich Sterne in Explosionen bildeten – ein Konzept, das als „explosive Sternentstehung“ bekannt ist. In massereichen Galaxien wie z MilchstraßeSterne entstehen mit konstanter Geschwindigkeit, wobei die Anzahl der Sterne im Laufe der Zeit allmählich zunimmt. Aber zur sogenannten explosiven Sternentstehung kommt es, wenn Sterne in einem abwechselnden Muster entstehen – viele Sterne auf einmal, gefolgt von Millionen von Jahren mit sehr wenigen neuen Sternen und dann wieder vielen Sternen.

„Explosive Sternentstehung kommt besonders häufig in Galaxien mit geringer Masse vor“, sagte Faucher-Géger. „Die Einzelheiten, warum dies geschieht, sind immer noch Gegenstand laufender Forschung. Wir gehen jedoch davon aus, dass es zu einer Explosion von Sternen kommt, und einige Millionen Jahre später explodieren diese Sterne als Supernovae. Das Gas wird ausgestoßen und kehrt dann zurück.“ bilden neue Sterne, was zu einem Sternentstehungszyklus führt. Aber wenn Galaxien massereich genug werden, haben sie eine viel stärkere Schwerkraft. Wenn Supernovae explodieren, ist sie nicht stark genug, um Gas aus dem System zu verdrängen. Die Schwerkraft hält die Galaxie zusammen und bringt sie in einen Zustand stabiler Zustand.

Helle Galaxien und das Universumsmodell

Die Simulationen konnten auch die gleiche Häufigkeit heller Galaxien erzeugen, die vom James Webb-Weltraumteleskop entdeckt wurde. Mit anderen Worten: Die von den Simulationen vorhergesagte Anzahl heller Galaxien stimmt mit der Anzahl beobachteter heller Galaxien überein.

Obwohl andere Astrophysiker die Hypothese aufgestellt haben, dass explodierende Sternentstehung für die ungewöhnliche Helligkeit von Galaxien im kosmischen Morgengrauen verantwortlich sein könnte, sind Forscher der Northwestern University die ersten, die mithilfe detaillierter Computersimulationen beweisen, dass dies möglich ist. Dies gelang ihnen, ohne neue Faktoren hinzuzufügen, die nicht zu unserem Standardmodell des Universums passen.

„Das meiste Licht in der Galaxie kommt von den massereichsten Sternen“, sagte Faucher-Géger. „Da massereichere Sterne schneller brennen, sind sie kürzer. Sie verbrauchen ihren Treibstoff bei Kernreaktionen schnell. Daher steht die Helligkeit einer Galaxie in direkterem Zusammenhang mit der Anzahl der Sterne, die sich in den letzten paar Jahren gebildet haben.“ Millionen Jahre als auf die Masse der Galaxie als Ganzes.“

Referenz: „Explosive Sternentstehung erklärt auf natürliche Weise die Fülle heller Galaxien im kosmischen Morgengrauen“ von Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier und Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel und Rachel K. Cochrane, 3. Oktober 2023, hier verfügbar. Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

Die Studie wurde bereits zuvor gefördert NASA Und die National Science Foundation.