Всплески звездообразования объясняют загадочную яркость на космическом рассвете

Когда ученые увидели первые изображения самых ранних галактик Вселенной, полученные космическим телескопом Джеймса Вебба (JWST), они были потрясены. Молодые галактики выглядели слишком яркими, слишком массивными и слишком зрелыми, чтобы образоваться так скоро после Большого взрыва. Это было бы похоже на то, как если бы младенец вырос во взрослого человека всего за пару лет.

Это поразительное открытие даже заставило некоторых физиков поставить под сомнение стандартную модель космологии, задаваясь вопросом, не следует ли ее перевернуть.

Используя новое моделирование, группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета обнаружила, что эти галактики, скорее всего, не так уж и массивны. Хотя яркость галактики обычно определяется ее массой, новые результаты показывают, что менее массивные галактики могут светиться так же ярко из-за нерегулярных ярких вспышек звездообразования.

Это открытие не только объясняет, почему молодые галактики кажутся обманчиво массивными, но и вписывается в стандартную модель космологии.

Исследование было опубликовано 3 октября в журнале The Astrophysical Journal Letters.

"Открытие этих галактик стало большим сюрпризом, поскольку они оказались значительно ярче, чем предполагалось", - сказал старший автор исследования Клод-Андре Фоше-Жигер (Claude-André Faucher-Giguère) из Северо-Западного университета.

"Обычно галактика яркая, потому что она большая. Но поскольку эти галактики образовались на заре космической эры, с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени. Как же эти массивные галактики могли собраться так быстро? Наше моделирование показывает, что у галактик нет проблем с формированием такой яркости к космическому рассвету".

"Ключевым моментом является воспроизведение достаточного количества света в системе за короткий промежуток времени", - добавил Гуочао Сунь (Guochao Sun), руководитель исследования. "Это может произойти либо потому, что система действительно массивна, либо потому, что она обладает способностью быстро производить большое количество света. В последнем случае система не обязательно должна быть такой массивной. Если звездообразование происходит скачками, то оно будет излучать вспышки света. Вот почему мы видим несколько очень ярких галактик".

Фоше-Гигер - доцент кафедры физики и астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберг Северо-Западного университета и сотрудник Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). Сун является постдокторским научным сотрудником CIERA в Северо-Западном университете.

Период, который длится примерно от 100 млн. лет до 1 млрд. лет после Большого взрыва, космический рассвет отмечен образованием первых звезд и галактик во Вселенной. До запуска JWST в космос астрономы очень мало знали об этом древнем периоде времени.

"JWST принес нам много знаний о космическом рассвете", - сказал Сун. "До JWST большая часть наших знаний о ранней Вселенной была спекуляцией, основанной на данных из очень небольшого количества источников. Благодаря огромному увеличению наблюдательной мощности мы можем увидеть физические детали галактик и использовать эти убедительные данные наблюдений для изучения физики, чтобы понять, что происходит".

В новом исследовании Сун, Фоше-Жигьер и их команда использовали передовые компьютерные симуляции для моделирования того, как галактики формировались сразу после Большого взрыва. В результате моделирования были получены галактики "космической зари", которые были такими же яркими, как и те, которые наблюдал JWST. Моделирование является частью проекта Feedback of Relativistic Environments (FIRE), соучредителем которого является Фоше-Жигьер с коллегами из Калифорнийского технологического института, Принстонского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В новом исследовании принимают участие сотрудники Центра вычислительной астрофизики Института Flatiron, Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Дэвисе.

Симуляция FIRE объединяет астрофизическую теорию и передовые алгоритмы для моделирования формирования галактик. Эти модели позволяют исследователям изучить, как галактики формируются, растут и меняют форму, учитывая при этом энергию, массу, импульс и химические элементы, возвращающиеся от звезд.

Когда Сун, Фоше-Жигьер и их команда провели моделирование ранних галактик, образовавшихся на заре космической эры, они обнаружили, что звезды формируются взрывами - концепция, известная как "вспышечное звездообразование". В массивных галактиках, таких как Млечный Путь, звезды образуются с постоянной скоростью, причем их количество постепенно увеличивается с течением времени. Но так называемое взрывное звездообразование происходит, когда звезды образуются в чередующемся порядке - сразу много звезд, затем миллионы лет очень мало новых звезд, а потом снова много звезд.

"Вспышечное звездообразование особенно часто встречается в галактиках с низкой массой", - сказал Фоше-Жигьер. "Детали того, почему это происходит, все еще являются предметом продолжающихся исследований. Но мы считаем, что происходит вспышка звездообразования, а затем, через несколько миллионов лет, эти звезды взрываются в виде сверхновых. Газ выбрасывается наружу, а затем снова попадает внутрь, образуя новые звезды, что приводит в движение цикл звездообразования."

"Но когда галактики становятся достаточно массивными, они обладают гораздо более сильной гравитацией. Когда сверхновые взрываются, они не достаточно сильны, чтобы выбросить газ из системы. Гравитация удерживает галактику вместе и приводит ее в устойчивое состояние".

Моделирование также позволило получить такое же количество ярких галактик, которое было обнаружено JWST. Другими словами, количество ярких галактик, предсказанное моделированием, совпадает с количеством наблюдаемых ярких галактик.

Хотя другие астрофизики выдвигали гипотезы о том, что вспышечное звездообразование может быть причиной необычной яркости галактик на рассвете космоса, исследователи из Северо-Западного университета первыми использовали детальное компьютерное моделирование, чтобы доказать, что это возможно. И им удалось сделать это без добавления новых факторов, которые не согласуются с нашей стандартной моделью Вселенной.

"Большая часть света в галактике исходит от самых массивных звезд", - сказал Фоше-Жигер. "Поскольку более массивные звезды сгорают с большей скоростью, они живут недолго. Они быстро расходуют свое топливо в ядерных реакциях. Таким образом, яркость галактики находится в более прямой зависимости от того, сколько звезд образовалось в ней за последние несколько миллионов лет, чем от массы галактики в целом".

Источник