Czy odległe galaktyki obserwowane przez Jamesa Webba są zbyt jasne dla standardowej kosmologii?

Korzystając z Teleskopu Hubble’a i soczewkowania grawitacyjnego, kosmolodzy byli w stanie zbadać stan obserwowalnego Wszechświata około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu. W przypadku Jamesa Webba możliwa granica powinna wynosić około 150 milionów lat, co umożliwia zbadanie tzw. okresu rejonizacji, który prowadzi nas od średniowiecza do kosmicznego świtu i dla którego nie wiemy jeszcze dokładnie, kiedy się rozpoczął ani kiedy się skończył. Z grubsza rzecz biorąc, ponieważ istnieją różnice, nadal często zgadzamy się, że miało to miejsce pomiędzy 130 a 950 milionami lat po Wielkim Wybuchu.

Pamiętajcie, że około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, w ciągu kilku tysięcy lat, temperatura Wszechświata spadła na tyle, że mogły uformować się neutralne atomy, uwalniając słynne promieniowanie kopalne. Reionizacja to moment, w którym pierwsze gwiazdy i pierwsze kwazary formują się do tego stopnia, że ​​poprzez emitowane przez nie promieniowanie atomy te zaczynają ponownie jonizować.

Chcielibyśmy zrozumieć, co dzieje się w okresie, w którym zapadanie się ciemnej materii przyspiesza zapadanie się znanej materii, tworząc pierwsze galaktyki wystarczająco blisko siebie, aby były wielokrotnie poddawane siłom pływowym i zderzeniom.

Standardowy model kosmologiczny obowiązujący przez dekadę zasadniczo obejmował galaktyki i znajdujące się w nich gigantyczne czarne dziury, które poprzez kierowanie mogły zamienić się w kwazary. przez Włókna strumieni ciemnej materii zimnej materii barionowej opadają na galaktyki w procesie powstawania i ewolucji.

Przez 13,8 miliarda lat Wszechświat nadal ewoluował. Wbrew temu, co mówią nam oczy, gdy patrzymy na niebo, jego kształt nie jest statyczny. Fizycy prowadzą obserwacje różnych epok Wszechświata i przeprowadzają symulacje, w których odtwarzają wszechświat i jego ewolucję. Wydaje się, że ciemna materia odgrywała główną rolę od początków Wszechświata do powstania dużych struktur, które obserwujemy dzisiaj. © Badania CEA

Symulacja łącząca ciemną materię i eksplodujące gwiazdy

Aby zrozumieć wszystkie te zjawiska, konieczne jest wykonanie symulacji numerycznych. Z biegiem lat stała się potężniejsza i wyrafinowana do tego stopnia, że ​​uwzględnia nie tylko dynamikę ciemnej materii, zdecydowanie dominującego składnika materii w obserwowalnym wszechświecie, ale także sprzężenie zwrotne dynamiki zwykłej materii z supernowymi. Eksplozje i ewolucja chemiczna galaktyk w wyniku nukleosyntezy gwiazd, wpływająca na powstawanie nowych gwiazd (patrz wideo poniżej).

Modele te mają być dalej udoskonalane, ale ponad dziesięć lat temu zwykło się twierdzić, że kiedy James Webb biegał, powinien widzieć małe, nieliczne i nieregularne galaktyki niecałe 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Wcale tego nie zauważamy.

Również na początku lata 2022 roku na jego koncie na Twitterze pojawiły się wypowiedzi słynnej amerykańskiej astrofizyczki i kosmolog Stacy McGough. Ten ostatni znany jest z pracy opartej na teorii Monda, czyli skrócie Zmodyfikowana dynamika Newtona W języku angielskim bada galaktyki, ciemną materię i teorie zmodyfikowanej grawitacji jako alternatywy dla istnienia ciemnej materii.

Stacey McGough wyjaśniła, że ​​jeśli potwierdzi się, że JST dostrzegł wiele dużych galaktyk na początku historii obserwowalnego Wszechświata, może to stanowić test obalający standardowy model kosmologii oparty na istnieniu cząstek ciemnej materii, a po drugie stanowić potwierdzenie teorii Mounda.

Jednak w artykule poświęconym wypowiedziom McGougha początkowo zadaliśmy także pytania na ten temat Françoise Combs i Romainowi Tessierowi, co zachęciło nas do zachowania ostrożności. Następnie przeprowadziliśmy wywiad z jednym z astronomów chcących obserwować pierwsze galaktyki z Jamesem Webbem, Johanem Richardem z Centrum Badań Astrofizycznych w Lyonie.

W tym filmie z 2016 roku Phil Hopkins, profesor astrofizyki teoretycznej w Caltech i Andrew Wetzel, naukowiec w Carnegie-Caltech, używają superkomputerów do stworzenia najbardziej szczegółowej i realistycznej symulacji powstawania galaktyk w historii. Wyniki rozwiązują trwającą od kilkudziesięciu lat zagadkę dotyczącą galaktyk karłowatych wokół naszej Drogi Mlecznej. Andrew Wetzel należy do zespołu, który prawdopodobnie w podobny sposób powtórzył w projekcie ustalenia Jamesa Webba Informacje zwrotne od względnych środowisk (FIRE), którego współzałożycielem jest Faucher Giguere. Aby uzyskać dość dokładne tłumaczenie na język francuski, kliknij biały prostokąt w prawym dolnym rogu. Tłumaczenie na język angielski powinno pojawić się obok. Następnie kliknij nakrętkę po prawej stronie prostokąta, następnie „Tłumaczenia”, a na koniec „Tłumacz automatycznie”. Wybierz „francuski”. © Kalifornijski Instytut Technologii

Wybuch powstawania nowych gwiazd jest silniejszy, niż sądzono

W tym kontekście rozumiemy wagę artykułu opublikowanego dzisiaj w Listy do dzienników astrofizycznych Przeprowadzone przez zespół astrofizyków pod kierownictwem Northwestern University (USA). W uniwersyteckim komunikacie prasowym dołączonym do tego wpisu, astrofizyk stwierdził Claude André Foucher Giguere z Northwestern University, główny autor badania, mówi: „ Odkrycie tych galaktyk było wielkim zaskoczeniem, ponieważ były znacznie jaśniejsze, niż oczekiwano. Ogólnie rzecz biorąc, galaktyka jest jasna, ponieważ jest duża. Ale ponieważ galaktyki te powstały o kosmicznym świcie, od Wielkiego Wybuchu nie minęło dużo czasu. Jak tak masywne galaktyki mogły łączyć się tak szybko? Nasze symulacje pokazują, że galaktyki nie mają problemu z tworzeniem takiej jasności o kosmicznym świcie. „.

Nowe symulacje wskazują już, że problematyczne odległe galaktyki Jamesa Webba są mniejsze, niż moglibyśmy sobie wyobrazić na podstawie ich jasności, a zatem ich masa jest niższa i zgodna ze średnim rozmiarem galaktyk przewidywanym przez poprzednie modele.

Lepsze uwzględnienie przez algorytmy procesów powstawania gwiazd skutkuje bardzo intensywnymi wybuchami nowych gwiazd oddzielonych fazami spoczynku. Eksplozje te są bardziej gwałtowne i wytwarzają więcej gwiazd niż te, które znaliśmy wcześniej, w wyniku czego małe galaktyki na początku rejonizacji mogą wydawać się równie jasne jak duże galaktyki, co naiwnie prowadzi nas do wiary w szybszy rozwój galaktyk.

Ostatecznie wydaje się, że badacze powtórzyli obserwacje Jamesa Webba i zgadzają się ze Standardowym Modelem Kosmologicznym. Jeżeli rzeczywiście tak jest, nie mamy już powodu wątpić w ten model ani dalej wierzyć teorii Monda.

W ramach projektu wykonano nowe symulacje Informacje zwrotne od względnych środowisk (FIRE), którego współzałożycielem jest Faucher-Giguère wraz ze współpracownikami z Instytut Technologiczny w KaliforniiUniwersytet Princeton i Uniwersytet Kalifornijski w San Diego. W nowym badaniu wzięli udział współpracownicy z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej w Instytucie Flatiron, Instytut Technologii w Massachusetts i Uniwersytet Kalifornijski w Davis.

W komunikacie prasowym Northwestern University wyjaśniono, że „ Symulacje FIRE łączą astrofizykę teoretyczną z zaawansowanymi algorytmami do modelowania powstawania galaktyk. Modele pozwalają naukowcom badać, w jaki sposób powstają, rosną i zmieniają kształt galaktyki, biorąc pod uwagę energię, masę i strumienie pierwiastków chemicznych wysyłanych z gwiazd. „.

Kilka lat temu w ramach projektu FIRE zaproponowano eleganckie rozwiązanie problemu standardowego modelu kosmologicznego, który wydawał się nie być w stanie wyjaśnić małej liczby galaktyk karłowatych obserwowanych wokół dużych galaktyk, takich jak Droga Mleczna.