„Kozmikus világítótornyok” – Webb felfedi az univerzum első fényének titkait

A James Webb Űrteleszkóp úttörő megfigyelései feltárják a kis tömegű galaxisok kulcsfontosságú szerepét a korai univerzum reionizációjában, megkérdőjelezve a kozmikus evolúció létező elméleteit.

A NASA James Webb Űrteleszkópjának (JWST) adataival dolgozó tudósok megszerezték az univerzum legrégebbi csillagfényeinek első teljes spektrumát. A képek az eddigi legtisztább képet adják a nagyon kis tömegű újszülött galaxisokról, amelyek kevesebb mint egymilliárd évvel az ősrobbanás után alakultak ki, és arra utalnak, hogy a fiatal galaxisok központi szerepet játszanak a kozmikus eredet történetében.

A nemzetközi kutatócsoport, köztük két penn állambeli asztrofizikus, a közelmúltban tette közzé eredményeit a folyóiratban természet. A spektrumok felfedik az első látható fény egy részét az univerzumban a reionizációnak nevezett időszakból, amelyet az első csillagok és galaxisok érkezése táplált.

A NASA James Webb Űrteleszkópja által készített mélymezős felvételek első bepillantást engedtek olyan rendkívül halvány galaxisokba, amelyeket a kutatók a világegyetem reionizációját kiváltó objektumok erős jelöltjeként azonosítottak. A kép forrása: Hakim Atiq/Sorbonne University/JWST

Az ősi Univerzum: Átmenet a sötétségből a fénybe

Az univerzumban a normál anyag forró, sűrű ködként kezdődött, amely szinte teljes egészében hidrogén- és héliummagokból állt – magyarázta Joel Lyga, a Penn State csillagász- és asztrofizikai adjunktusa és a cikk szerzője. Ahogy tágult és lehűlt, az egyes protonok és elektronok kötődni kezdtek, és először semleges hidrogén keletkezett. Körülbelül 500-900 millió évvel később a nagy robbanásA semleges hidrogén – amely a korai univerzumban uralkodott – ismét elkezdett szétválni ionizált gázzá, serkentve a csillagok és galaxisok kialakulását, és felemelte az ősködöt, így a fény először tudott akadálytalanul áthaladni az univerzumon.

„Valami kiváltott, és nagyon nagy energiájú fotonokat kezdett pumpálni a galaxisok közötti űrbe” – mondta Lyga. „Ezek a források kozmikus jelzőfényként működtek, amelyek felgyújtották a semleges hidrogénködöt. Bármi is volt ez, annyira energikus és tartós volt, hogy az egész univerzum ismét ionizálttá vált.”

Galaxis úttörői: a kis tömegű galaxisok szerepe

A kisméretű, kis tömegű galaxisok spektrumának elemzésével a tudósok kimutatták, hogy a kis galaxisok erős jelöltek arra a „dologra”, amely újraionizálja az univerzumot a körülöttük lévő sűrű ősgáz felmelegítésével és a korábban semleges hidrogén ionizálásával.

„Ha a világegyetem más kis tömegű galaxisai is ilyen gyakoriak és élénkek, mint ezek, akkor azt gondoljuk, hogy végre megérkeztünk a jelzőfényekhez, amelyek leégették a kozmikus ködöt” – mondta Lyga. „Hihetetlenül aktív csillagok voltak sok-sok kis galaxisban.”

Leija hozzátette, hogy a korai univerzumban a galaxisok többsége várhatóan viszonylag kicsi, ami nagyon megnehezíti gyakoriságuk és tulajdonságaik tanulmányozását. A James Webb Űrteleszkóp érzékenységének és a 2744-es Abell-halmaz gravitációs lencsés hatásának – a közeli galaxisoknak, amelyek kozmikus nagyítóként viselkednek, torzítva a teret és felerősítve a háttérgalaxisok fényét – egyedülálló kombinációja révén megvalósuló technológiai áttörésnek köszönhetően ma már egymilliárd éven belül meghatározható a kis galaxisok sokasága és ionizáló tulajdonságaik.Az univerzumban először.

Hakim Atiq, a Sorbonne Egyetem asztrofizikusa, a Párizsi Asztrofizikai Intézet kutatója és a tanulmány első szerzője, azt találtuk, hogy a kis galaxisok száma körülbelül száz-egyszer haladja meg a hatalmas galaxisokat az univerzum reionizációs korszakában. – áll egy sajtóközleményben. „Ezek az új megfigyelések arra is rávilágítanak, hogy ezek a kis galaxisok nagy mennyiségű ionizáló fotont termeltek, ami meghaladta a távoli galaxisok esetében szokásosan feltételezett alapértékek négyszeresét. Ez azt jelenti, hogy az e galaxisok által kibocsátott ionizáló fotonok teljes fluxusa messze meghaladja a szükséges küszöbértéket reionizációhoz.”

A kozmikus evolúció feltérképezése: jövőbeli irányok

A Penn State csapata vezette az UNCOVER felmérés modellezését, amely a kisebb, távolabbi galaxisokat leképező nagy előtérben lévő galaxishalmazt célozta meg. A Penn State kutatói a szkennelés összes apró fénypontját elemezték, hogy megértsék az objektum tulajdonságait, valamint tömegét és valószínű távolságait. Ezt az elemzést használták fel a részletesebb JWST megfigyelések irányítására, amelyek ehhez a felfedezéshez vezettek – magyarázta Lija.

Ezeket az eredményeket megelőzően számos hipotézis létezett, amelyek más forrásokat azonosítottak, amelyek felelősek a kozmikus reionizációért, mint például a szupermasszív fekete lyukak; Egymilliárd naptömegnél nagyobb tömegű nagy galaxisok; És kis galaxisok, amelyek tömege kisebb, mint egymilliárd naptömeg. A kutatók elmondták, hogy a kis tömegű galaxisokra vonatkozó hipotézis megerősítése különösen nehéznek bizonyult alacsony fényességük miatt, de az új eredmények az eddigi legvilágosabb bizonyítékot szolgáltatják arra vonatkozóan, hogy a kis tömegű galaxisok központi szerepet játszottak az univerzum reionizálásában.

A kutatók most nagyobb léptékre szeretnék kiterjeszteni a tanulmányt, hogy biztosítsák, hogy az általuk elemzett konkrét hely a galaxisok átlagos eloszlását tükrözze az univerzumban. A reionizációs folyamaton túl megfigyeléseik betekintést nyújtanak a korai csillagkeletkezés folyamatába, hogyan keletkeztek a galaxisok az ősgázból, és hogyan fejlődtek ki belőlük a ma ismert univerzum.

Hivatkozás: „Az univerzumot újraionizáló fotonok többsége törpegalaxisokból származott” – Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vaszilij Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Green, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich és Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara és Daniel B. Stark, Mauro Stefanone és Katherine A. Suss, Bingjie Wang és Catherine E. Whitaker, 2024. február 28. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, az asztrofizika posztdoktori kutatója, a tanulmány másik társszerzője Penn State-ből. A szerzők és intézményeik teljes listája elérhető a megjelent lapon. A kutatók elismerik a Francia Nemzeti Űrkutatási Központ, a Kozmológiai és Galaxisok Nemzeti Programja, a CEA, a Cosmic Dawn Központ, a Dán Nemzeti Kutatási Alapítvány, az Ausztrál Kutatási Tanács, a NOW, a Rosalind Franklin Program finanszírozását és támogatását. Az Európai Bizottság Közös Alapja és a Groningeni Egyetem. US-Izrael Nemzeti Tudományos Alapítvány, US National Science Foundation (NSF), Tudományos és Technológiai Minisztérium, Izrael és NOIRLabAz NSF-fel kötött együttműködési megállapodás értelmében a Csillagászati ​​Kutatási Egyetemek Konzorciuma kezeli.