Odkrycie małych, jasnych obiektów u zarania Wszechświata wprawia naukowców w zakłopotanie

Niedawne odkrycie dokonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) potwierdziło, że jasne, intensywnie czerwone obiekty wykryte wcześniej we wczesnym Wszechświecie obalają konwencjonalne myślenie o pochodzeniu i ewolucji galaktyk oraz ich supermasywnych czarnych dziur.

Międzynarodowy zespół kierowany przez badaczy z Penn State, korzystając z instrumentu NIRSpec na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w ramach przeglądu RUBIES, zidentyfikował trzy tajemnicze obiekty we wczesnym Wszechświecie, około 600–800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat stanowił tylko 5% Wszechświata. Jego obecny wiek. Oni Ogłaszać Odkrycia dokonano dzisiaj, 27 czerwca, w godz Listy do dzienników astrofizycznych .

Zespół badał pomiary spektroskopowe, czyli intensywność różnych długości fal światła emitowanego przez obiekty. Ich analiza wykazała sygnatury „starych” gwiazd, mających setki milionów lat, znacznie starszych, niż oczekiwano w młodym wszechświecie.

Naukowcy stwierdzili, że byli również zaskoczeni odkryciem oznak supermasywnych czarnych dziur w tych samych obiektach, ponieważ oszacowali ich masę na 100 do 1000 razy większą niż masa supermasywnej czarnej dziury w naszej galaktyce Drogi Mlecznej. Tego nie oczekuje się w obecnych modelach wzrostu galaktyk i powstawania supermasywnych czarnych dziur, które przewidują wspólne powiększanie się galaktyk i ich czarnych dziur na przestrzeni miliardów lat kosmicznej historii.

„Potwierdziliśmy, że obiekty te wydają się być pełne starożytnych gwiazd – mających setki milionów lat – we wszechświecie mającym zaledwie 600–800 milionów lat” – powiedziała Bingjie Wang, badaczka ze stopniem doktora w Penn State i główna autorka książki badanie. „Te obiekty są rekordem najstarszych śladów starożytnego światła gwiazd”.

„Znalezienie starożytnych gwiazd w tak młodym wszechświecie było zupełnie nieoczekiwane. Standardowe modele kosmologii i powstawania galaktyk okazały się niezwykle skuteczne, jednak te świecące obiekty nie pasują wygodnie do tych teorii”.

Naukowcy po raz pierwszy odkryli masywne obiekty w lipcu 2022 roku, kiedy opublikowano wstępny zestaw danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Zespół opublikował artykuł w Natura Kilka miesięcy później ogłoszono istnienie obiektów.

W tamtym czasie badacze podejrzewali, że obiekty te są galaktykami, ale kontynuowali analizę, pobierając widma, aby lepiej zrozumieć prawdziwe odległości obiektów, a także źródła zasilania ich masywnego światła.

Następnie naukowcy wykorzystali nowe dane do uzyskania wyraźniejszego obrazu tego, jak wyglądają galaktyki i co się w nich znajduje. Zespół nie tylko potwierdził, że obiekty te były galaktykami na początku dziejów, ale także znalazł dowody na istnienie zaskakująco masywnych czarnych dziur i zaskakująco starożytnej populacji gwiazd.

„To bardzo zagadkowe” – powiedział Joel Lyga, adiunkt astronomii i astrofizyki w Penn State i współautor obu artykułów. „Można to dopasować do naszego obecnego modelu Wszechświata, ale tylko wtedy, gdy go wymyślimy szalenie szybkie, dziwne formacje na początku Czasu. To bez wątpienia najbardziej niezwykła i interesująca kolekcja obiektów, jaką kiedykolwiek widziałem w mojej karierze.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wyposażony w czujniki podczerwieni zdolne do wykrywania światła emitowanego przez najstarsze gwiazdy i galaktyki. Teleskop zasadniczo pozwala naukowcom zajrzeć w przeszłość około 13,5 miliarda lat, czyli blisko początków wszechświata, jaki znamy, powiedziała Leija.

Jednym z wyzwań związanych z analizą starożytnego światła jest to, że rozróżnienie typów obiektów, które mogły emitować światło, może być trudne. W przypadku tych wczesnych obiektów noszą one wyraźne cechy zarówno supermasywnych czarnych dziur, jak i starożytnych gwiazd.

Jednakże, jak wyjaśnił Wang, nie jest jeszcze jasne, ile obserwowanego światła pochodzi z każdej z nich, co oznacza, że ​​mogą to być nieoczekiwanie starożytne wczesne galaktyki, które są jeszcze bardziej masywne niż nasza Droga Mleczna lub powstały znacznie wcześniej, niż przewidują modele. Galaktyki o normalnej masie mogą zawierać „supermasywne” czarne dziury, około 100 do 1000 razy masywniejsze niż dzisiejsze galaktyki.

„Rozróżnienie światła emitowanego przez materię wpadającą do czarnej dziury od światła emitowanego przez gwiazdy w tych małych, odległych obiektach jest bardzo trudne” – powiedział Wang. „Brak możliwości odróżnienia różnicy w bieżącym zbiorze danych pozostawia wiele miejsca Szczerze mówiąc, brzmi ona: „To ekscytujące, że tak duża część tej tajemnicy pozostaje nierozwiązana”.

Oprócz ich niewytłumaczalnej masy i wieku, jeśli część światła rzeczywiście pochodzi z supermasywnych czarnych dziur, to nie są one również zwykłymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Wytwarzają znacznie więcej fotonów ultrafioletowych, niż oczekiwano, a podobnym obiektom badanym za pomocą innych instrumentów brakuje cech charakterystycznych supermasywnych czarnych dziur, takich jak gorący pył i jasna emisja promieniowania rentgenowskiego. Jednak być może najbardziej zaskakującą rzeczą, twierdzą naukowcy, jest to, jak masywne są te obiekty.

„Supermasywne czarne dziury są zwykle kojarzone z galaktykami” – powiedziała Lyja. „Rosną razem i wspólnie przechodzą przez wszystkie najważniejsze doświadczenia życiowe. Jednak tutaj mamy do czynienia z w pełni rozwiniętą, dorosłą czarną dziurą żyjącą wewnątrz czegoś, co miało być małą galaktyką To naprawdę nie ma sensu, ponieważ „Te rzeczy muszą rosnąć razem, a przynajmniej tak myśleliśmy”.

Badaczy zaintrygował także niezwykle mały rozmiar tych układów, które mają zaledwie kilkaset lat świetlnych średnicy, czyli około tysiąc razy mniej niż nasza Galaktyka, Droga Mleczna. Liczba gwiazd w tych układach jest mniej więcej taka sama, jak liczba gwiazd w naszej Galaktyce Drogi Mlecznej – gdzie liczba gwiazd w tych układach waha się od dziesięciu miliardów do biliona gwiazd – ale ograniczają się one do objętości około tysiąc razy większej mniejsza od Drogi Mlecznej.

Leija wyjaśniła, że ​​jeśli weźmiemy Drogę Mleczną i skompresujemy ją do rozmiarów znalezionych galaktyk, najbliższa gwiazda będzie znajdować się mniej więcej w naszym Układzie Słonecznym. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, oddalona o około 26 000 lat świetlnych, będzie znajdować się zaledwie około 26 lat świetlnych od Ziemi i będzie widoczna na niebie jako gigantyczna kolumna światła.

„Te wczesne galaktyki będą bardzo gęste od gwiazd, gwiazd, które musiały uformować się w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie widzieliśmy, w warunkach, których nigdy się nie spodziewaliśmy, w okresie, którego nigdy się nie spodziewaliśmy” – mówi Lyga. „Z jakiegoś powodu Wszechświat przestał tworzyć takie obiekty zaledwie po kilku miliardach lat. Jest to zjawisko unikalne dla wczesnego wszechświata”.

Naukowcy mają nadzieję przeprowadzić więcej obserwacji, które ich zdaniem mogą pomóc w wyjaśnieniu niektórych tajemnic obiektów. Planują zbadać głębsze widma, kierując teleskop na obiekty przez dłuższy czas, co pomoże rozwikłać emisje z gwiazd i ewentualnej supermasywnej czarnej dziury poprzez identyfikację specyficznych sygnatur absorpcji, które mogą być obecne w każdym z nich.

„Przełom można osiągnąć w inny sposób i to jest słuszny pomysł” – stwierdziła Lega. „Mamy te wszystkie elementy układanki i pasują one tylko wtedy, gdy zignorujemy fakt, że niektóre z nich się psują. Ten problem można rozwiązać za pomocą przebłysku geniuszu, który do tej pory umykał nam, wszystkim naszym współpracownikom i całej społeczności naukowej. „