Astrofísicos explicam o brilho ‘impossível’ do amanhecer cósmico

Imagens de galáxias primitivas capturadas pelo Telescópio Espacial James Webb revelaram um brilho inesperado, levantando questões sobre a nossa compreensão cósmica. Simulações conduzidas pela Northwestern University sugerem que o brilho destas galáxias se deve à formação intermitente de estrelas, e não ao tamanho massivo, consistente com os modelos cosmológicos atuais.

São flashes intensos de luz, e não de massa, que resolvem o impossível quebra-cabeça do brilho.

Quando os cientistas olharam Telescópio Espacial James WebbAs primeiras imagens do JWST das primeiras galáxias do universo os chocaram. As jovens galáxias pareciam demasiado brilhantes, demasiado massivas e demasiado maduras para se terem formado tão pouco depois do Big Bang. Será como um bebê se tornando adulto em apenas dois anos.

Uma descoberta incrível mesmo Isso levou alguns físicos a questionar o modelo padrão da cosmologiaperguntando-se se deveria ser invertido ou não.

Brilho da galáxia versus massa

Usando uma nova simulação, um Universidade do NoroesteUma equipe de astrofísicos descobriu agora que essas galáxias provavelmente não são muito massivas, afinal. Embora o brilho de uma galáxia seja geralmente determinado pela sua massa, novos resultados sugerem que galáxias menos massivas podem brilhar com a mesma intensidade a partir de explosões irregulares e brilhantes de formação estelar.

Esta descoberta não só explica porque é que as pequenas galáxias parecem tão enganosamente pequenas, mas também se enquadra no modelo padrão da cosmologia.

A pesquisa foi publicada em 3 de outubro em Cartas de diários astrofísicos.

Representação artística das primeiras galáxias estelares. A imagem é fornecida pelos dados de simulação FIRE usados ​​nesta pesquisa, o que poderia explicar os resultados recentes do JWST. Estrelas e galáxias aparecem como pontos de luz brancos brilhantes, enquanto a matéria escura e gases mais difusos aparecem em roxo e vermelho. Fonte: Aaron M. Geller, Noroeste, CIERA+IT-RCDS

“A descoberta destas galáxias foi uma grande surpresa porque eram muito mais brilhantes do que o esperado,” disse Claude-André Foucher-Géguier, autor sénior do estudo da Universidade Northwestern. “Normalmente, uma galáxia é brilhante porque é grande. Mas como estas galáxias se formaram na alvorada cósmica, não passou tempo suficiente desde então.” a grande explosão. Como essas galáxias massivas podem se formar tão rapidamente? Nossas simulações mostram que as galáxias não têm problemas em moldar esse brilho com o amanhecer cósmico.

“A chave é reproduzir uma quantidade suficiente de luz no sistema num curto período de tempo”, acrescentou Zhao Zhao Sun, que liderou o estudo. “Isso pode acontecer porque o sistema é realmente massivo ou porque tem a capacidade de produzir muita luz rapidamente. Neste último caso, o sistema não precisa ser tão massivo. Se a formação estelar ocorrer em rajadas, ele emitirá flashes de luz.” É por isso que vemos tantas galáxias muito brilhantes.

Faucher Giguere é professor associado de física e astronomia na Northwestern University Faculdade de Artes e Ciências Weinberg E um membro de Centro Interdisciplinar de Exploração e Pesquisa em Astrofísica (Andar). Sun é pós-doutorado do CIERA na Northwestern University.

Compreendendo o amanhecer cósmico

Período que dura de aproximadamente 100 milhões de anos a um bilhão de anos após o Big Bang, o amanhecer cósmico é caracterizado pela formação das primeiras estrelas e galáxias do universo. Antes do Telescópio Espacial James Webb ser lançado ao espaço, os astrônomos sabiam muito pouco sobre esse período antigo.

“O Telescópio Espacial James Webb nos trouxe muito conhecimento sobre o amanhecer cósmico”, disse Sun. “Antes do Telescópio Espacial James Webb, a maior parte do nosso conhecimento sobre o universo primitivo era especulação baseada em dados de muito poucas fontes. Com o enorme aumento no poder de observação, podemos ver detalhes físicos sobre galáxias e usar evidências observacionais poderosas para estudar a física para entender o que está acontecendo.”

Simulação e resultados avançados

No novo estudo, Sun, Foucher-Géger e a sua equipa utilizaram simulações computacionais avançadas para modelar como as galáxias se formaram imediatamente após o Big Bang. As simulações produziram galáxias cósmicas do amanhecer que eram tão brilhantes quanto as observadas pelo Telescópio Espacial James Webb. Simulações fazem parte Feedback de ambientes relativos O projeto FIRE, que Faucher-Géger co-fundou com colaboradores da Caltech, Universidade de Princetone Universidade da Califórnia, San Diego. O novo estudo inclui colaboradores do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade da Califórnia, Davis.

As simulações FIRE combinam teoria astrofísica com algoritmos avançados para modelar a formação de galáxias. Estes modelos permitem aos investigadores explorar como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, tendo em conta a energia, a massa, o momento e os elementos químicos que regressam das estrelas.

Quando Sun, Fouché-Géger e a sua equipa realizaram simulações para modelar as primeiras galáxias que se formaram na madrugada cósmica, descobriram que as estrelas se formavam em explosões — um conceito conhecido como “formação estelar explosiva”. Em galáxias massivas como via LácteaAs estrelas se formam a uma taxa constante, com o número de estrelas aumentando gradualmente ao longo do tempo. Mas a chamada formação estelar explosiva ocorre quando as estrelas se formam num padrão alternado – muitas estrelas ao mesmo tempo, seguidas por milhões de anos de muito poucas estrelas novas, e depois muitas estrelas novamente.

“A formação estelar explosiva é particularmente comum em galáxias de baixa massa”, disse Faucher-Géger. “Os detalhes do motivo pelo qual isso acontece ainda são objeto de pesquisas em andamento. Mas o que pensamos que acontece é que uma explosão de estrelas se forma e, alguns milhões de anos depois, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é expelido e depois retorna para formam novas estrelas, levando ao ciclo de formação de estrelas. Mas quando as galáxias se tornam massivas o suficiente, elas têm uma gravidade muito mais forte. Quando as supernovas explodem, não é forte o suficiente para forçar o gás a sair do sistema. A gravidade mantém a galáxia unida e a coloca em um estado estável.

Galáxias brilhantes e o modelo do universo

As simulações também foram capazes de produzir a mesma abundância de galáxias brilhantes detectadas pelo Telescópio Espacial James Webb. Por outras palavras, o número de galáxias brilhantes previstas pelas simulações corresponde ao número de galáxias brilhantes observadas.

Embora outros astrofísicos tenham levantado a hipótese de que a explosão da formação de estrelas poderia ser responsável pelo brilho incomum das galáxias no amanhecer cósmico, pesquisadores da Northwestern University são os primeiros a usar simulações computacionais detalhadas para provar que isso é possível. Eles foram capazes de fazer isso sem adicionar novos fatores que não se enquadram no nosso modelo padrão do universo.

“A maior parte da luz da galáxia vem das estrelas mais massivas”, disse Faucher-Géger. “Como estrelas mais massivas queimam a uma velocidade maior, elas têm vida mais curta. Elas consomem seu combustível rapidamente em reações nucleares. Portanto, o brilho de uma galáxia está mais diretamente relacionado ao número de estrelas que se formaram nos últimos anos. milhões de anos do que a massa da galáxia como um todo.”

Referência: “A formação estelar explosiva explica naturalmente a abundância de galáxias brilhantes no amanhecer cósmico” por Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier e Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel e Rachel K. Cochrane, 3 de outubro de 2023, disponível aqui. Cartas de diários astrofísicos.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

O estudo foi anteriormente apoiado NASA E a Fundação Nacional de Ciência.