Astrofysici verklaren de ‘onmogelijke’ helderheid van de kosmische dageraad

Het zijn intense lichtflitsen, en geen massa, die de onmogelijke helderheidspuzzel oplossen.

Toen wetenschappers ernaar keken James Webb-ruimtetelescoopJWST’s eerste beelden van de eerste sterrenstelsels in het universum schokten hen. De jonge sterrenstelsels leken te helder, te massief en te volwassen om zo snel na de oerknal te zijn ontstaan. Het zal zijn alsof een baby in slechts twee jaar tijd uitgroeit tot een volwassene.

Een geweldige ontdekking zelfs Dit bracht sommige natuurkundigen ertoe het standaardmodel van de kosmologie in twijfel te trekkenen vraag me af of het moet worden omgedraaid of niet.

Helderheid van sterrenstelsels versus massa

Met behulp van een nieuwe simulatie, a Noordwestelijke UniversiteitEen team van astrofysici heeft nu ontdekt dat deze sterrenstelsels waarschijnlijk toch niet erg massief zijn. Hoewel de helderheid van een sterrenstelsel meestal wordt bepaald door zijn massa, suggereren nieuwe resultaten dat minder massieve sterrenstelsels net zo helder kunnen gloeien als gevolg van onregelmatige, schitterende uitbarstingen van stervorming.

Deze ontdekking verklaart niet alleen waarom kleine sterrenstelsels zo bedrieglijk klein lijken, maar past ook binnen het standaardmodel van de kosmologie.

Het onderzoek werd op 3 oktober gepubliceerd in Astrofysische dagboekbrieven.

Artistieke weergave van vroege sterrenstelsels. Het beeld wordt geleverd door de FIRE-simulatiegegevens die in dit onderzoek zijn gebruikt en die de recente JWST-resultaten zouden kunnen verklaren. Sterren en sterrenstelsels verschijnen als helderwitte lichtpunten, terwijl donkere materie en meer diffuse gassen paars en rood verschijnen. Bron: Aaron M. Geller, Noordwest, CIERA+IT-RCDS

“De ontdekking van deze sterrenstelsels was een grote verrassing, omdat ze veel helderder waren dan verwacht”, zegt Claude-André Foucher-Géguier, senior auteur van het onderzoek aan de Northwestern University. “Normaal gesproken is een sterrenstelsel helder omdat het groot is. Maar omdat deze sterrenstelsels bij kosmische dageraad zijn ontstaan, is er sindsdien niet genoeg tijd verstreken.” de grote explosie. Hoe kunnen deze massieve sterrenstelsels zo snel samenkomen? Onze simulaties laten zien dat sterrenstelsels er geen probleem mee hebben om deze helderheid vorm te geven tijdens de kosmische dageraad.

“De sleutel is om binnen een korte tijd voldoende licht in het systeem te reproduceren”, aldus Zhao Zhao Sun, die het onderzoek leidde. “Dit kan gebeuren omdat het systeem echt enorm groot is, of omdat het in staat is om snel veel licht te produceren. In het laatste geval hoeft het systeem niet zo massief te zijn. Als stervorming in uitbarstingen plaatsvindt, zal het lichtflitsen.” Daarom zien we zoveel zeer heldere sterrenstelsels.

Faucher Giguere is universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Northwestern University Weinberg College voor Kunsten en Wetenschappen En lid van Interdisciplinair verkennings- en onderzoekscentrum in astrofysica (Wandeling). Sun is een postdoctoraal onderzoeker bij CIERA aan de Northwestern University.

De kosmische dageraad begrijpen

Een periode die ongeveer 100 miljoen jaar tot een miljard jaar na de oerknal duurt, wordt de kosmische dageraad gekenmerkt door de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels in het universum. Voordat de James Webb-ruimtetelescoop de ruimte in werd gelanceerd, wisten astronomen heel weinig over deze oude periode.

“De James Webb-ruimtetelescoop heeft ons veel kennis gebracht over de kosmische dageraad”, zei Sun. “Vóór de James Webb-ruimtetelescoop was het grootste deel van onze kennis over het vroege heelal speculatie, gebaseerd op gegevens uit zeer weinig bronnen. Met de enorme toename van het waarnemingsvermogen kunnen we fysieke details over sterrenstelsels zien en krachtig waarnemingsbewijs gebruiken om de natuurkunde te bestuderen begrijpen wat er gebeurt.”

Geavanceerde simulatie en resultaten

In de nieuwe studie gebruikten Sun, Foucher-Géger en hun team geavanceerde computersimulaties om te modelleren hoe sterrenstelsels zich onmiddellijk na de oerknal vormden. De simulaties produceerden kosmische dageraadstelsels die net zo helder waren als de sterrenstelsels waargenomen door de James Webb Ruimtetelescoop. Simulaties zijn daar onderdeel van Feedback uit relatieve omgevingen Het FIRE-project, dat Faucher-Géger samen met medewerkers van Caltech heeft opgericht, Princeton Universiteiten Universiteit van Californië, San Diego. De nieuwe studie omvat medewerkers van het Center for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute, het Massachusetts Institute of Technology en de University of California, Davis.

FIRE-simulaties combineren astrofysische theorie met geavanceerde algoritmen om de vorming van sterrenstelsels te modelleren. Met deze modellen kunnen onderzoekers onderzoeken hoe sterrenstelsels ontstaan, groeien en van vorm veranderen, rekening houdend met de energie, massa, momentum en chemische elementen die van de sterren terugkeren.

Toen Sun, Fouché-Géger en hun team simulaties uitvoerden om vroege sterrenstelsels te modelleren die zich bij kosmische dageraad vormden, ontdekten ze dat sterren gevormd werden tijdens explosies – een concept dat bekend staat als ‘explosieve stervorming’. In massieve sterrenstelsels zoals MelkwegSterren ontstaan ​​in een constant tempo, waarbij het aantal sterren in de loop van de tijd geleidelijk toeneemt. Maar zogenaamde explosieve stervorming vindt plaats wanneer sterren zich in een wisselend patroon vormen: veel sterren tegelijk, gevolgd door miljoenen jaren van heel weinig nieuwe sterren, en dan weer veel sterren.

‘Explosieve stervorming komt vooral veel voor in sterrenstelsels met een lage massa’, zegt Faucher-Géger. “De details van waarom dit gebeurt zijn nog steeds het onderwerp van lopend onderzoek. Maar wat we denken dat er gebeurt, is dat zich een explosie van sterren vormt, en een paar miljoen jaar later exploderen die sterren als supernova’s. Het gas wordt verdreven en keert vervolgens terug naar de aarde. vormen nieuwe sterren, wat leidt tot een stervormingscyclus. Maar wanneer sterrenstelsels groot genoeg worden, hebben ze een veel sterkere zwaartekracht. Wanneer supernova’s exploderen, is deze niet sterk genoeg om gas uit het systeem te dwingen. De zwaartekracht houdt het sterrenstelsel bij elkaar en brengt het in een stabiele staat.

Heldere sterrenstelsels en het heelalmodel

De simulaties waren ook in staat dezelfde overvloed aan heldere sterrenstelsels te produceren die werden gedetecteerd door de James Webb Space Telescope. Met andere woorden: het aantal heldere sterrenstelsels dat door de simulaties wordt voorspeld, komt overeen met het aantal waargenomen heldere sterrenstelsels.

Hoewel andere astrofysici de hypothese hebben aangenomen dat exploderende stervorming verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de ongebruikelijke helderheid van sterrenstelsels bij kosmische dageraad, zijn onderzoekers van de Northwestern University de eersten die gedetailleerde computersimulaties hebben gebruikt om te bewijzen dat dit mogelijk is. Ze konden dit doen zonder nieuwe factoren toe te voegen die niet passen in ons standaardmodel van het universum.

“Het meeste licht in de Melkweg komt van de zwaarste sterren”, zegt Faucher-Géger. “Omdat zwaardere sterren met een hogere snelheid branden, hebben ze een kortere levensduur. Ze verbruiken hun brandstof snel bij kernreacties. Daarom is de helderheid van een sterrenstelsel directer gerelateerd aan het aantal sterren dat zich de afgelopen paar jaar heeft gevormd.” miljoen jaar dan de massa van de Melkweg als geheel.”

Referentie: “Explosieve stervorming verklaart op natuurlijke wijze de overvloed aan heldere sterrenstelsels bij kosmische dageraad” door Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier en Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel en Rachel K. Cochrane, 3 oktober 2023, hier beschikbaar. Astrofysische dagboekbrieven.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

Het onderzoek werd eerder ondersteund NASA En de Nationale Wetenschapsstichting.