Gli astrofisici spiegano la luminosità “impossibile” dell’alba cosmica

Sono gli intensi lampi di luce, non la massa, a risolvere l’impossibile enigma della luminosità.

Quando gli scienziati hanno guardato Telescopio spaziale James WebbLe prime immagini di JWST delle prime galassie dell’universo li hanno scioccati. Le giovani galassie sembravano troppo luminose, troppo massicce e troppo mature per essersi formate così presto dopo il Big Bang. Sarà come un bambino che diventa adulto in soli due anni.

Anche una scoperta straordinaria Ciò ha portato alcuni fisici a mettere in discussione il modello standard della cosmologiachiedendosi se debba essere capovolto o meno.

Luminosità della galassia rispetto alla massa

Utilizzando una nuova simulazione, a Università nordoccidentaleUn team di astrofisici ha ora scoperto che queste galassie probabilmente non sono molto massicce. Sebbene la luminosità di una galassia sia solitamente determinata dalla sua massa, nuovi risultati suggeriscono che le galassie meno massicce possono brillare altrettanto intensamente da esplosioni irregolari e brillanti di formazione stellare.

Questa scoperta non solo spiega perché le piccole galassie appaiono così ingannevolmente piccole, ma si adatta anche al modello standard della cosmologia.

La ricerca è stata pubblicata il 3 ottobre in Lettere del diario astrofisico.

Rappresentazione artistica delle prime galassie stellari. L’immagine è fornita dai dati di simulazione FIRE utilizzati in questa ricerca che potrebbero spiegare i recenti risultati del JWST. Le stelle e le galassie appaiono come punti luminosi bianchi, mentre la materia oscura e i gas più diffusi appaiono in viola e rosso. Fonte: Aaron M. Geller, Nordovest, CIERA+IT-RCDS

“La scoperta di queste galassie è stata una grande sorpresa perché erano molto più luminose del previsto”, ha affermato Claude-André Foucher-Géguier, autore senior dello studio della Northwestern University. “Normalmente una galassia è luminosa perché è grande. Ma poiché queste galassie si sono formate all’alba cosmica, non è passato abbastanza tempo da allora.” la grande esplosione. Come possono queste enormi galassie assemblarsi così velocemente? Le nostre simulazioni mostrano che le galassie non hanno problemi a modellare questa luminosità con l’alba cosmica.

“La chiave è riprodurre una quantità sufficiente di luce nel sistema entro un breve periodo di tempo”, ha aggiunto Zhao Zhao Sun, che ha guidato lo studio. “Ciò potrebbe accadere perché il sistema è davvero massiccio o perché ha la capacità di produrre molta luce rapidamente. In quest’ultimo caso, il sistema non ha bisogno di essere così massiccio. Se la formazione stellare avviene a raffiche, emetterà lampi di luce”. Ecco perché vediamo così tante galassie molto luminose.

Faucher Giguere è professore associato di fisica e astronomia alla Northwestern University Weinberg College delle Arti e delle Scienze E un membro di Centro interdisciplinare di esplorazione e ricerca in astrofisica (Camminare). Sun è un ricercatore post-dottorato CIERA presso la Northwestern University.

Comprendere l’alba cosmica

Un periodo che va da circa 100 milioni di anni a un miliardo di anni dopo il Big Bang, l’alba cosmica è caratterizzata dalla formazione delle prime stelle e galassie nell’universo. Prima che il telescopio spaziale James Webb fosse lanciato nello spazio, gli astronomi sapevano molto poco di questo antico periodo.

“Il telescopio spaziale James Webb ci ha fornito molte conoscenze sull’alba cosmica”, ha detto Sun. “Prima del telescopio spaziale James Webb, gran parte della nostra conoscenza sull’universo primordiale era speculazione basata su dati provenienti da pochissime fonti. Con l’enorme aumento della capacità di osservazione, possiamo vedere i dettagli fisici delle galassie e utilizzare potenti prove osservative per studiare la fisica capire cosa sta succedendo.”

Simulazione avanzata e risultati

Nel nuovo studio, Sun, Foucher-Géger e il loro team hanno utilizzato simulazioni computerizzate avanzate per modellare il modo in cui le galassie si sono formate immediatamente dopo il Big Bang. Le simulazioni hanno prodotto galassie cosmiche dell’alba altrettanto luminose di quelle osservate dal telescopio spaziale James Webb. Le simulazioni fanno parte Feedback dagli ambienti relativi Il progetto FIRE, che Faucher-Géger ha co-fondato con i collaboratori del Caltech, università di Princetone Università della California, San Diego. Il nuovo studio comprende collaboratori del Centro di astrofisica computazionale del Flatiron Institute, del Massachusetts Institute of Technology e dell’Università della California, Davis.

Le simulazioni FIRE combinano la teoria astrofisica con algoritmi avanzati per modellare la formazione delle galassie. Questi modelli consentono ai ricercatori di esplorare il modo in cui le galassie si formano, crescono e cambiano forma, tenendo conto dell’energia, della massa, della quantità di moto e degli elementi chimici che ritornano dalle stelle.

Quando Sun, Fouché-Géger e il loro team hanno eseguito simulazioni per modellare le prime galassie che si sono formate all’alba cosmica, hanno scoperto che le stelle si formavano in esplosioni, un concetto noto come “formazione stellare esplosiva”. Nelle galassie massicce come via LatteaLe stelle si formano a una velocità costante, con il numero di stelle che aumenta gradualmente nel tempo. Ma la cosiddetta formazione stellare esplosiva avviene quando le stelle si formano secondo uno schema alternato: molte stelle contemporaneamente, seguite da milioni di anni di pochissime nuove stelle, e poi ancora molte stelle.

“La formazione stellare esplosiva è particolarmente comune nelle galassie di piccola massa”, ha affermato Faucher-Géger. “I dettagli del motivo per cui ciò accade sono ancora oggetto di ricerca in corso. Ma quello che pensiamo accada è che si formi un’esplosione di stelle e poi, pochi milioni di anni dopo, quelle stelle esplodono come supernove. Il gas viene espulso e poi ritorna formano nuove stelle, portando al ciclo di formazione stellare. Ma quando le galassie diventano abbastanza massicce, hanno una gravità molto più forte. Quando le supernove esplodono, non sono abbastanza forti da forzare il gas fuori dal sistema. La gravità tiene insieme la galassia e la mette in una stato stabile.

Galassie luminose e modello dell’universo

Le simulazioni sono state anche in grado di produrre la stessa abbondanza di galassie luminose rilevate dal telescopio spaziale James Webb. In altre parole, il numero di galassie luminose previste dalle simulazioni corrisponde al numero di galassie luminose osservate.

Sebbene altri astrofisici abbiano ipotizzato che l’esplosione della formazione stellare potrebbe essere responsabile dell’insolita luminosità delle galassie all’alba cosmica, i ricercatori della Northwestern University sono i primi a utilizzare simulazioni computerizzate dettagliate per dimostrare che ciò è possibile. Sono stati in grado di farlo senza aggiungere nuovi fattori che non si adattano al nostro modello standard dell’universo.

“La maggior parte della luce nella galassia proviene dalle stelle più massicce”, ha detto Faucher-Géger. “Poiché le stelle più massicce bruciano a una velocità maggiore, hanno una vita più breve. Consumano rapidamente il loro combustibile nelle reazioni nucleari. Pertanto, la luminosità di una galassia è più direttamente correlata al numero di stelle che si sono formate negli ultimi tempi.” milioni di anni rispetto alla massa della galassia nel suo insieme”.

Riferimento: “La formazione stellare esplosiva spiega naturalmente l’abbondanza di galassie luminose all’alba cosmica” di Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier e Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel e Rachel K. Cochrane, 3 ottobre 2023, disponibile qui. Lettere del diario astrofisico.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

Lo studio è stato precedentemente finanziato NASA E la National Science Foundation.