Astronomowie określają wiek najdalszej galaktyki, na 367 milionów lat po Wielkim Wybuchu

Wpatrywanie się w przeszłość za pomocą Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba w nadziei na znalezienie wyjątkowo słabych sygnałów z najwcześniejszych galaktyk może wydawać się zadaniem straconym. Ale szkoda tylko wtedy, gdy ich nie znajdziemy. Teraz, gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znalazł te sygnały, ćwiczenie zmieniło się z beznadziejnego w pełne nadziei. Ale tylko wtedy, gdy astronomowie będą w stanie potwierdzić sygnały.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) został zbudowany, aby cofać się w czasie i identyfikować pierwsze galaktyki we Wszechświecie. Obserwacje te mają na celu stworzenie powiązania między starożytnymi galaktykami a galaktykami, które widzimy teraz, w tym naszą własną. To powiązanie pomoże astronomom zrozumieć, w jaki sposób galaktyki takie jak nasza powstawały i ewoluowały przez miliardy lat.

Ekspansja Wszechświata rozciąga światło emitowane przez starożytne obiekty miliardy lat temu. Rozciąganie przesuwa światło w kierunku czerwonego końca widma światła widzialnego. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został zbudowany, aby zobaczyć to światło i zidentyfikować starożytne galaktyki, które je emitowały. Badanie GLASS przeprowadzone przez teleskop dotarło do sedna problemu. Wykorzystał gromadę galaktyk zwaną Pandora’s Cluster (Abell 2744) jako soczewkę grawitacyjną do powiększenia odległych galaktyk znajdujących się za nią i znalazł 19 jasnych obiektów, które wydają się być wczesnymi galaktykami.

Inne wczesne wyniki naukowe z JWST wykazały więcej obiektów, które wydają się być starożytnymi galaktykami. Razem te odkrycia są róg obfitości obserwacji naukowych. Mając na uwadze te odkrycia, astronomowie postanowili kilkadziesiąt lat temu zbudować JWST. Ale jest problem: nasze teorie i modele formowania się galaktyk sugerują, że tych najwcześniejszych galaktyk nie powinno być tak wiele. Ustalenia JWST wymagały potwierdzenia.

Zespół naukowców wykorzystał należącą do ESO ALMA (Atakama Large Millimeter/sub-millimeter Array) do zbadania kandydującej galaktyki z GLASS i spróbowania jej potwierdzenia. Ich praca nosi tytuł „Deep ALMA redshift search of az ~ 12 GLASS-JWST galaxy Candidate ” i została opublikowana w Monthly Notices of the Royal Astronomy Society. Głównym autorem jest Tom Bakx z Nagoya University.

Do tej pory żadna z kandydujących starożytnych galaktyk JWST nie została potwierdzona. Dopóki astronomowie ich nie potwierdzą, jesteśmy w kropce. W jednym ze swoich artykułów Starts With A Bang w Big Think astrofizyk Ethan Siegel wymownie zwrócił na to uwagę.

Gdyby wszyscy kandydaci na bardzo odległe galaktyki byli prawdziwi, mielibyśmy ich zbyt wielu zbyt wcześnie, co zmusiłoby nas do ponownego przemyślenia, w jaki sposób galaktyki zaczynają się formować we Wszechświecie. Ale możemy się całkowicie oszukiwać i nie będziemy wiedzieć na pewno, mając tylko nasze aktualne dane. Istnieje ogromna różnica między światłem emitowanym przez odległą galaktykę a światłem, które dociera do naszych oczu po przebyciu miliardów lat świetlnych przez Wszechświat.pisze Siegel.

Potrzebne były dalsze obserwacje, aby potwierdzić któregokolwiek z tych starożytnych kandydatów, i właśnie to zebrał ten zespół naukowców.

Pierwsze zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniły tak wiele wczesnych galaktyk, że poczuliśmy, że musimy przetestować ich wyniki przy użyciu najlepszego obserwatorium na Ziemi.powiedział główny autor Bakx w komunikacie prasowym.

Wybrali galaktykę o nazwie GHZ2/GLASS-z12, jedną z najjaśniejszych i najsilniejszych kandydatek na z > 10, zgodnie z obserwacjami JWST. z > 10 oznacza, że ​​światło z galaktyki podróżuje od ponad 13,184 miliarda lat i przebyło odległość co najmniej 26,596 miliarda lat świetlnych. Jak zauważył Siegel w swoim artykule, wiele może się stać ze światłem, które podróżuje ponad 26 miliardów lat świetlnych, zanim do nas dotrze.

Potrzebna jest spektroskopia, aby potwierdzić pierwotną naturę tych kandydatów.piszą autorzy w swoim artykule.

Możliwe, że światło niektórych z tych galaktyk jest czerwone z powodu pyłu, a nie odległości, a spektroskopia może pomóc w rozróżnieniu tych dwóch galaktyk. Zwrócili się do ALMA , obecnie działającego najdroższego naziemnego teleskopu na świecie.

Użyli go do poszukiwania linii tlenu (O III) w spektroskopii na tej samej częstotliwości, co w obserwacjach JWST. O III jest podwójnie zjonizowanym tlenem i jest kluczowy, ponieważ tlen ma krótki czas tworzenia w stosunku do innych pierwiastków. Skupienie się na tlenie zwiększało prawdopodobieństwo wykrycia.

Gwiazdy mogą generować tlen w krótkiej skali czasowej 50 Myr. Inne pierwiastki, takie jak na przykład węgiel, potrzebują prawie 500 milionów dolarów, aby pojawić się w galaktyce. Oznacza to, że zdaniem autorów, tlen jest generalnie najlepszym wskaźnikiem przesunięcia ku czerwieni i prawdopodobnie najjaśniejszą linią emisyjną we wczesnym Wszechświecie.

otwierdzenie ALMA nie było jednak natychmiastowe. Nastąpiło niewielkie przesunięcie sygnału tlenu między obserwacjami JWST i ALMA.

Początkowo byliśmy zaniepokojeni niewielką różnicą położenia między wykrytą linią emisji tlenu a galaktyką widzianą przez Webba. Ale przeprowadziliśmy szczegółowe testy obserwacji, aby potwierdzić, że jest to naprawdę solidne wykrycie i bardzo trudno to wyjaśnić za pomocą jakiejkolwiek innej interpretacji.zauważa autor Tom Bakx

Obserwacje nie tylko potwierdzają wiek galaktyki, rzucają również światło na jej metaliczność. Pokazują, że do tego czasu żyła i umarła wystarczająca liczba gwiazd, aby wzbogacić galaktykę pierwiastkami takimi jak tlen. „Emisja jasnej linii wskazuje, że ta galaktyka szybko wzbogaciła swoje zbiorniki gazu pierwiastkami cięższymi niż wodór i hel. To daje nam pewne wskazówki na temat formowania się i ewolucji gwiazd pierwszej generacji oraz ich życia” – powiedział współautor opracowania, Jorge Zavala z National Astronomical Observatory of Japan.

Obserwacje zawierają również inną kuszącą wskazówkę. Przynajmniej niektóre z gwiazd, które żyły i umierały oraz zapełniały galaktykę metalami, mogły eksplodować jako supernowe.

Mała separacja, którą obserwujemy między gazowym tlenem a emisją gwiazd może również sugerować, że te wczesne galaktyki ucierpiały w wyniku gwałtownych eksplozji, które wyrzuciły gaz z centrum galaktyki do regionu otaczającego galaktykę, a nawet poza nią.dodał Zavala.

Znalezienie najwcześniejszych galaktyk we Wszechświecie było główną motywacją JWST, a jak pokazuje to badanie, robi postępy. Rośnie liczba kandydujących na wczesne galaktyki oczekujących na potwierdzenie, a jeśli zgodnie z oczekiwaniami zostanie potwierdzonych więcej z nich, astronomowie będą musieli przerwać pracę, wyjaśniając je i aktualizując modele formowania się galaktyk.

Ale to dobrze, według Zavali. Kiedy naukowcy są zmuszeni aktualizować swoje modele z powodu nowych dowodów, nasze zrozumienie rośnie. Ta praca pokazuje, jak ALMA i JWST mogą współpracować, aby poszerzyć naszą wiedzę.

Doszliśmy do wniosku, że ALMA i JWST są wysoce synergiczne i razem powinny zrewolucjonizować nasze rozumienie powstawania i ewolucji wczesnych galaktyk.konkludują autorzy w swoim artykule.

Te głębokie obserwacje ALMA dostarczają solidnych dowodów na istnienie galaktyk w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu i potwierdzają zaskakujące wyniki obserwacji Webba. Prace JWST dopiero się rozpoczęły, ale już dostosowujemy nasze modele formowania się galaktyk we wczesnym Wszechświecie, aby pasowały do ​​tych obserwacji. Połączona moc Webba i sieci radioteleskopów ALMA daje nam pewność, że możemy przesuwać nasze kosmiczne horyzonty coraz bliżej świtu Wszechświata.powiedział Zavala.

Rekordowe wykrycie sygnału radiowego z atomowego wodoru w niezwykle odległej galaktyce

Astronomowie z McGill University w Kanadzie i Indian Institute of Science (IISc) w Bengaluru wykorzystali dane z Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT) w Pune do wykrycia sygnału radiowego pochodzącego z wodoru atomowego w niezwykle odległej galaktyce. Astronomiczna odległość, z której taki sygnał został odebrany, jest jak dotąd największa z dużym marginesem. Jest to również pierwsze potwierdzone wykrycie silnego soczewkowania w linii emisji 21 cm z galaktyki.

Wodór atomowy jest podstawowym paliwem niezbędnym do powstawania gwiazd w galaktyce. Kiedy gorący zjonizowany gaz z otaczającego ośrodka galaktyki spada na galaktykę, gaz ochładza się i tworzy wodór atomowy, który następnie staje się wodorem cząsteczkowym i ostatecznie prowadzi do powstawania gwiazd. Dlatego zrozumienie ewolucji galaktyk w czasie kosmicznym wymaga prześledzenia ewolucji gazu neutralnego w różnych epokach kosmologicznych. Atomowy wodór emituje fale radiowe o długości 21 cm, które można wykryć za pomocą radioteleskopów o niskiej częstotliwości, takich jak GMRT. Zatem emisja 21 cm jest bezpośrednim wskaźnikiem zawartości gazu atomowego zarówno w pobliskich, jak i odległych galaktykach. Jednak ten sygnał radiowy jest bardzo słaby i wykrycie emisji z odległej galaktyki przy użyciu obecnych teleskopów jest prawie niemożliwe ze względu na ich ograniczoną czułość.

Do tej pory najodleglejsza galaktyka wykryta przy użyciu emisji z odległości 21 cm miała przesunięcie ku czerwieni z=0,376, co odpowiada czasowi, który upłynął między wykryciem sygnału a jego pierwotną emisją – wynoszącym 4,1 miliarda lat. (Przesunięcie ku czerwieni reprezentuje zmianę długości fali sygnału w zależności od położenia i ruchu obiektu; większa wartość z oznacza obiekt znajdujący się dalej).

Korzystając z danych GMRT, Arnab Chakraborty, doktor habilitowany na Wydziale Fizyki i Trottier Space Institute na McGill University oraz Nirupam Roy, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki, IISc wykryli sygnał radiowy z wodoru atomowego w odległej galaktyce przy przesunięciu ku czerwieni z= 1.29.

Ze względu na ogromną odległość do galaktyki, 21-centymetrowa linia emisyjna przesunęła się ku czerwieni do 48 cm, zanim sygnał dotarł ze źródła do teleskopu. mówi Chakraborty.

Sygnał wykryty przez zespół został wyemitowany z tej galaktyki, gdy Wszechświat miał zaledwie 4,9 miliarda lat; innymi słowy, czas wstecz dla tego źródła wynosi 8,8 miliarda lat.

Wykrycie to było możliwe dzięki zjawisku zwanemu soczewkowaniem grawitacyjnym , w którym światło emitowane przez źródło jest zakrzywiane z powodu obecności innego masywnego ciała, takiego jak galaktyka eliptyczna wczesnego typu, pomiędzy galaktyką docelową a obserwatorem, co skutkuje „wzmocnieniem” sygnału.

W tym konkretnym przypadku powiększenie sygnału było około 30-krotne, co pozwoliło nam zobaczyć wszechświat o dużym przesunięciu ku czerwieni.wyjaśnia Roy.

Zespół zaobserwował również, że masa atomowa wodoru w tej konkretnej galaktyce jest prawie dwukrotnie większa niż masa jej gwiazdy. Wyniki te pokazują wykonalność obserwacji gazu atomowego z galaktyk z odległości kosmologicznych w podobnych systemach soczewkowych przy niewielkim czasie obserwacji. Otwiera również ekscytujące nowe możliwości badania kosmicznej ewolucji gazu neutralnego za pomocą istniejących i przyszłych radioteleskopów niskiej częstotliwości w najbliższej przyszłości.

Yashwant Gupta, dyrektor centrum NCRA, powiedział:

Wykrywanie neutralnego wodoru w emisji z odległego Wszechświata jest niezwykle trudne i było jednym z kluczowych celów naukowych GMRT. Cieszymy się z przełomowego wyniku GMRT i mamy nadzieję, że to samo można będzie potwierdzić i poprawić w przyszłości.

Hubble odkrywa, że widmo światła pośród galaktyk rozciąga się daleko wstecz w czasie

W gigantycznych gromadach setek lub tysięcy galaktyk niezliczone gwiazdy wędrują wśród galaktyk jak zagubione dusze, emitując upiorną mgiełkę światła. Gwiazdy te nie są związane grawitacyjnie z żadną galaktyką w gromadzie.

Pytaniem dla astronomów było: w jaki sposób gwiazdy zostały tak rozproszone w gromadzie? Kilka konkurencyjnych teorii obejmuje możliwość, że gwiazdy zostały wyrwane z galaktyk gromady, zostały podrzucone po zderzeniu galaktyk lub były obecne na wczesnym etapie formowania się gromady, wiele miliardów lat temu. Niedawny przegląd w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, który szukał tego tak zwanego “światła wewnątrz gromady”, rzuca nowe światło na tajemnicę. Nowe obserwacje Hubble’a sugerują, że te gwiazdy wędrują od miliardów lat i nie są produktem niedawnej dynamicznej aktywności wewnątrz gromady galaktyk, która pozbawiłaby je normalnych galaktyk. Badanie obejmowało 10 gromad galaktyk oddalonych nawet o prawie 10 miliardów lat świetlnych. Pomiary te muszą być wykonane z kosmosu, ponieważ słabe światło wewnątrz gromady jest 10 000 razy słabsze niż nocne niebo widziane z Ziemi.

Badanie ujawnia, że ​​część światła wewnątrz gromady w stosunku do całkowitego światła w gromadzie pozostaje stała, patrząc na miliardy lat wstecz.

Oznacza to, że gwiazdy te były już bezdomne we wczesnych stadiach formowania się gromady.powiedział James Jee z Uniwersytetu Yonsei w Seulu w Korei Południowej.

Gwiazdy mogą zostać rozproszone poza ich galaktycznym miejscem narodzin, gdy galaktyka porusza się przez gazową materię w przestrzeni między galaktykami, gdy okrąża centrum gromady. W tym procesie opór wypycha gaz i pył z galaktyki. Jednak w oparciu o nowy przegląd Hubble’a, Jee wyklucza ten mechanizm jako główną przyczynę produkcji gwiazd wewnątrz gromady. Dzieje się tak dlatego, że frakcja światła wewnątrz gromady wzrastałaby z czasem do chwili obecnej, gdyby głównym graczem był stripping. Ale tak nie jest w przypadku nowych danych Hubble’a, które pokazują stały ułamek na przestrzeni miliardów lat.

Nie wiemy dokładnie, co sprawiło, że stały się bezdomne. Obecne teorie nie mogą wyjaśnić naszych wyników, ale w jakiś sposób zostały wyprodukowane w dużych ilościach we wczesnym wszechświecie. We wczesnych latach formowania się galaktyki mogły być dość małe i dość łatwo krwawiły z gwiazd z powodu słabszego uchwytu grawitacyjnego.powiedział Jee.

Jeśli odkryjemy pochodzenie gwiazd wewnątrz gromady, pomoże nam to zrozumieć historię składania całej gromady galaktyk i mogą one służyć jako widoczne ślady ciemnej materii otaczającej gromadę.powiedział Hyungjin Joo z Yonsei University, pierwszy autor papieru. Ciemna materia to niewidzialne rusztowanie wszechświata, które utrzymuje razem galaktyki i gromady galaktyk.

Jeśli wędrujące gwiazdy powstały w wyniku stosunkowo niedawnej gry w pinball wśród galaktyk, nie mają wystarczająco dużo czasu, aby rozproszyć się po całym polu grawitacyjnym gromady, a zatem nie prześledziłyby rozkładu ciemnej materii gromady. Ale jeśli gwiazdy narodziły się we wczesnych latach gromady, będą całkowicie rozproszone po całej gromadzie. Umożliwiłoby to astronomom wykorzystanie krnąbrnych gwiazd do mapowania rozkładu ciemnej materii w gromadzie.

Ta technika jest nowa i uzupełnia tradycyjną metodę mapowania ciemnej materii poprzez pomiar, w jaki sposób cała gromada wypacza światło z obiektów tła w wyniku zjawiska zwanego soczewkowaniem grawitacyjnym.

Światło wewnątrz gromady zostało po raz pierwszy wykryte w gromadzie galaktyk Coma w 1951 roku przez Fritza Zwicky’ego, który poinformował, że jednym z jego najciekawszych odkryć była obserwacja jasnej, słabej materii międzygalaktycznej w gromadzie. Ponieważ gromada Coma, zawierająca co najmniej 1000 galaktyk, jest jedną z najbliższych gromad względem Ziemi (330 milionów lat świetlnych), Zwicky był w stanie wykryć widmowe światło nawet za pomocą skromnego 18-calowego teleskopu.

Możliwości i czułość Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w zakresie bliskiej podczerwieni znacznie rozszerzy poszukiwania gwiazd wewnątrz gromady głębiej we Wszechświecie, a zatem powinno pomóc w rozwiązaniu zagadki.

Nowe pomiary rotacji galaktyk skłaniają się ku zmodyfikowanej grawitacji jako wyjaśnienie ciemnej materii

Chociaż ciemna materia jest centralną częścią standardowego modelu kosmologicznego, nie jest pozbawiona problemów. Nadal istnieją nierozwiązane tajemnice dotyczące tego materiału, z których nie najmniej ważnym jest fakt, że naukowcy nie znaleźli na to bezpośrednich dowodów cząsteczkowych. Pomimo wielu poszukiwań, nie udało nam się jeszcze wykryć cząstek ciemnej materii. Dlatego niektórzy astronomowie opowiadają się za alternatywą, taką jak zmodyfikowana dynamika newtonowska (MoND) lub zmodyfikowany model grawitacyjny. A nowe badanie rotacji galaktyk wydaje się je wspierać.

Idea MON została zainspirowana rotacją galaktyk. Większość widzialnej materii w galaktyce jest skupiona w środku, więc można by się spodziewać, że gwiazdy bliżej centrum będą miały większe prędkości orbitalne niż gwiazdy dalej, podobnie jak planety naszego Układu Słonecznego. Obserwujemy, że wszystkie gwiazdy w galaktyce obracają się z mniej więcej tą samą prędkością. Krzywa rotacji jest raczej płaska niż opadająca. Rozwiązanie dotyczące ciemnej materii polega na tym, że galaktyki są otoczone halo niewidzialnej materii, ale w 1983 roku Mordehai Milgrom przekonywał, że nasz model grawitacyjny musi być błędny.

W odległościach międzygwiezdnych przyciąganie grawitacyjne między gwiazdami jest zasadniczo newtonowskie. Zamiast więc modyfikować ogólną teorię względności, Milgrom zaproponował modyfikację uniwersalnego prawa grawitacji Newtona. Twierdził, że zamiast siły przyciągania jest czysto odwrotną relacją kwadratową, grawitacja ma niewielką pozostałość przyciągania niezależnie od odległości. Ta pozostałość to tylko około 10 bilionowych części gee, ale to wystarczy, aby wyjaśnić krzywe rotacji galaktyki.

Oczywiście samo dodanie małego składnika do grawitacji Newtona oznacza, że ​​​​musisz również zmodyfikować równania Einsteina. Tak więc MoND został uogólniony na różne sposoby, na przykład AQUAL, co oznacza A Quadradic Lagrangian. Zarówno AQUAL, jak i standardowy model LCDM mogą wyjaśnić obserwowane krzywe rotacji galaktyk, ale istnieją pewne subtelne różnice.

W tym miejscu pojawiają się ostatnie badania. Jedna różnica między AQUAL a LCDM polega na prędkościach rotacji gwiazd na orbicie wewnętrznej i gwiazd na orbicie zewnętrznej. W przypadku LCDM oba powinny być regulowane przez rozkład materii, więc krzywa powinna być gładka. AQUAL przewiduje niewielkie załamanie krzywej ze względu na dynamikę teorii. Jest zbyt mały, aby zmierzyć go w pojedynczej galaktyce, ale statystycznie powinno być niewielkie przesunięcie między wewnętrznymi i zewnętrznymi rozkładami prędkości. Dlatego autor tego artykułu przyjrzał się wysokiej rozdzielczości krzywym prędkości 152 galaktyk obserwowanym w bazie danych Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC). Znalazł zmianę w porozumieniu z AQUAL. Dane wydają się wspierać zmodyfikowaną grawitację w stosunku do standardowej kosmologii ciemnej materii.