Webb descobre galáxias antigas que desafiam qualquer explicação

Os pesquisadores examinaram três objetos misteriosos no universo primitivo. Aqui são mostradas suas imagens coloridas, coletadas de três bandas de filtro NIRCam a bordo do Telescópio Espacial James Webb. Eles são visivelmente compactos em comprimentos de onda vermelhos (o que lhes vale o termo “pequenos pontos vermelhos”), com alguma evidência de estrutura espacial em comprimentos de onda azuis. Direitos autorais: Bingjie Wang/Penn State

NASAde Telescópio Espacial James Webb Revelou objetos misteriosos no universo primitivo que desafiam as teorias atuais de galáxias e planetas massivos. Buraco negro desenvolvimento.

Estes objetos contêm estrelas antigas e buracos negros massivos, muito maiores do que o esperado, indicando uma forma rápida e não convencional de formação inicial de galáxias. Os resultados destacam discrepâncias significativas com os modelos atuais, e as propriedades únicas dos objetos apontam para uma complexa história cósmica inicial.

Uma descoberta incrível no início do universo

Uma descoberta recente do Telescópio Espacial James Webb da NASA confirmou que objetos luminosos extremamente vermelhos previamente detectados no universo primitivo desafiam ideias de longa data sobre as origens e evolução das galáxias e dos seus buracos negros supermassivos.

Liderada por pesquisadores da Penn State e usando o instrumento NIRSpec no JWST como parte da pesquisa RUBIES, a equipe internacional identificou três objetos misteriosos que datam de 600 a 800 milhões de anos depois. a grande explosãoNuma época em que o universo tinha apenas 5% da sua idade atual. Eles anunciaram a descoberta no dia 27 de junho na revista Cartas de diários astrofísicos.

Os cientistas analisaram medições espectroscópicas, ou a intensidade de diferentes comprimentos de onda de luz emitida por objetos. A sua análise encontrou assinaturas de estrelas “velhas”, com centenas de milhões de anos de idade, muito mais velhas do que o esperado num universo jovem.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) oferece uma janela para o passado distante do universo, capturando imagens das primeiras galáxias e estrelas do universo, que se formaram há mais de 13,5 mil milhões de anos. Crédito da imagem: NASA-Goddard Space Science Center, Adriana M. Gutierrez (Laboratório de CI)

Descobertas inesperadas na evolução galáctica

Os investigadores disseram que também ficaram surpresos ao descobrir sinais de buracos negros supermassivos nos mesmos objetos, que estimam serem 100 a 1.000 vezes mais massivos do que o buraco negro supermassivo da nossa galáxia. via LácteaNão se espera que nada disto aconteça nos modelos actuais de crescimento de galáxias e de formação de buracos negros supermassivos, que prevêem o crescimento conjunto de galáxias e dos seus buracos negros ao longo de milhares de milhões de anos de história do Universo.

“Confirmamos que estes objetos parecem estar cheios de estrelas antigas – centenas de milhões de anos – num universo que tem apenas 600-800 milhões de anos”, disse Bingyi Wang, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e principal autor do estudo. o estudo. “Esses objetos detêm o recorde das assinaturas mais antigas da antiga luz das estrelas.” “Foi completamente inesperado encontrar estrelas antigas num universo tão jovem. Os modelos padrão de cosmologia e formação de galáxias têm sido incrivelmente bem-sucedidos, no entanto, estes objetos luminosos não se enquadram confortavelmente nestas teorias.”

Os pesquisadores descobriram os objetos massivos pela primeira vez em julho de 2022, quando o conjunto de dados inicial do JWST foi lançado. A equipe publicou um artigo de pesquisa em natureza Vários meses depois, a existência dessas coisas foi anunciada.

Desafios na observação cósmica

Na altura, os investigadores suspeitavam que estes objetos eram galáxias, mas prosseguiram a sua análise obtendo espectros para compreender melhor as verdadeiras distâncias dos objetos, bem como as fontes que alimentavam a sua enorme luz.

Os pesquisadores então usaram os novos dados para traçar uma imagem mais clara da aparência das galáxias e do que há dentro delas. A equipa não só confirmou que estas galáxias eram de facto galáxias próximas do início dos tempos, mas também encontrou evidências de buracos negros surpreendentemente massivos e de uma população de estrelas surpreendentemente antiga.

“É muito intrigante”, disse Joel Lyga, professor assistente de astronomia e astrofísica na Penn State e co-autor dos dois artigos. “É possível fazer com que isto se encaixe desconfortavelmente no nosso modelo atual do universo, mas apenas se evocarmos alguma coisa. formações loucamente rápidas e estranhas no início do Tempo Esta é, sem dúvida, a coleção de objetos mais incomum e interessante que já vi em minha carreira.”

O Telescópio James Webb foi projetado para observar fenômenos que ocorreram imediatamente após o Big Bang, usando suas avançadas capacidades infravermelhas para observar através da poeira cósmica e detectar estruturas ocultas no espaço. Direitos autorais: Northrop Grumman

Segredos de antigas estruturas galácticas

O Telescópio James Webb está equipado com sensores infravermelhos capazes de detectar a luz emitida pelas estrelas e galáxias mais antigas. Lega disse que este telescópio permite aos cientistas ver o que aconteceu no passado há cerca de 13,5 mil milhões de anos, ou seja, perto do início do universo como o conhecemos.

Um desafio na análise da luz antiga é que pode ser difícil distinguir entre os tipos de objetos que podem ter emitido luz. No caso destes objetos primitivos, eles têm características claras tanto de buracos negros massivos como de estrelas antigas. No entanto, explicou Wang, ainda não está claro quanto da luz observada vem de cada uma – o que significa que estas podem ser galáxias primitivas inesperadamente antigas que são ainda mais massivas que a Via Láctea e se formaram muito antes do que os modelos previam. Serão mais galáxias de massa normal com buracos negros “supermassivos”, cerca de 100 a 1.000 vezes maiores do que a galáxia atual.

“Distinguir entre a luz emitida pela matéria que cai num buraco negro e a luz emitida pelas estrelas nestes objetos pequenos e distantes é muito difícil”, disse Wang. “Não ser capaz de dizer a diferença no conjunto de dados atual deixa muito espaço para. interpretação desses objetos interessantes, francamente, é “é emocionante que tanto deste mistério permaneça sem solução”.

Além de sua massa e idade inexplicáveis, se parte da luz vier de buracos negros supermassivos, então eles não são buracos negros supermassivos comuns. Eles produzem muito mais fótons ultravioleta do que o esperado, e objetos similares estudados com outros instrumentos não possuem as características de buracos negros supermassivos, como poeira quente e emissão brilhante de raios-X. Mas talvez o que seja mais surpreendente, disseram os pesquisadores, seja o quão grande é.

“Os buracos negros supermassivos estão geralmente associados a galáxias”, disse Lyja. “Eles crescem juntos e passam por todas as suas principais experiências de vida juntos, mas aqui, temos um buraco negro adulto vivendo dentro do que deveria ser uma galáxia bebê. realmente não faz sentido, porque essas coisas “Vocês têm que crescer juntos, ou pelo menos foi o que pensamos”.

Os investigadores também ficaram intrigados com o tamanho extremamente pequeno destes sistemas, que têm apenas algumas centenas de anos-luz de diâmetro, quase mil vezes mais pequenos que a nossa Galáxia, a Via Láctea. O número de estrelas nestes sistemas é aproximadamente igual ao número de estrelas na nossa Galáxia, a Via Láctea – o número de estrelas nestes sistemas varia entre dez mil milhões e um bilião de estrelas – mas estão confinadas a um volume cerca de mil vezes menor. do que a Via Láctea.

Leija explicou que se pegássemos a Via Láctea e a comprimíssemos ao tamanho das galáxias que encontrássemos, a estrela mais próxima estaria aproximadamente localizada no nosso sistema solar. Quanto ao buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, que fica a cerca de 26.000 anos-luz de distância, estará a apenas cerca de 26 anos-luz de distância da Terra e será visível no céu como uma coluna gigante de luz. .

“Estas primeiras galáxias estavam cheias de estrelas – estrelas que devem ter-se formado de uma forma que nunca tínhamos visto antes, sob condições que nunca esperávamos durante um período em que nunca esperávamos vê-las”, disse Lyja. Por alguma razão, o universo parou de produzir coisas assim depois de apenas alguns bilhões de anos. “É único no universo primitivo.”

Os investigadores esperam continuar com mais observações, que dizem poder ajudar a explicar alguns dos mistérios dos objetos. Eles planeiam obter espectros mais profundos apontando o telescópio para objetos durante longos períodos de tempo, o que ajudará a desembaraçar as emissões das estrelas e de um possível buraco negro supermassivo, identificando assinaturas de absorção específicas que podem estar presentes em cada uma.

“Há outra maneira de avançarmos e esta é a ideia certa”, disse Lega. “Temos todas essas peças do quebra-cabeça e elas só podem ser resolvidas se ignorarmos o fato de que algumas delas podem quebrar. Este problema pode ser resolvido com um golpe de gênio que até agora nos escapou, a todos os nossos colegas e a toda a comunidade científica. comunidade.”

Referência: “RUBIES: Aglomerados de estrelas com histórias de formação estendidas em z ∼ 7–8 evoluíram em candidatas a galáxias massivas identificadas usando JWST/NIRSpec” por Bingjie Wang, 冰洁王, Joel Leja, Anna de Graaff, Gabriel B. Brammer, Andrea Weibel, Pieter van Dokkum, Josephine FW Baggen, Katherine A. Suess, Jenny E. Greene, Rachel Bezanson, Nikko J. Cleri, Michaela Hirschmann, Ivo Labbé, Jorryt Matthee, Ian McConachie, Rohan P. Naidu, Erica Nelson, Pascal A Oesch, David J. Setton e Christina C. Williams, 26 de junho de 2024, Cartas de diários astrofísicos.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7

Wang e Lija receberam financiamento do Programa de Observadores Públicos da NASA. A pesquisa também foi apoiada pelo Instituto Internacional de Ciências Espaciais em Berna. O trabalho baseia-se em parte em observações feitas através do Telescópio Espacial James Webb da NASA, da Agência Espacial Europeia e da Agência Espacial Canadiana. Os cálculos necessários para a pesquisa foram realizados no supercomputador Rohr do Instituto de Computação e Ciência de Dados da Penn State University.

Os co-autores da pesquisa incluem Anna de Graaf, do Instituto Max Planck de Astronomia, na Alemanha; Gabriel Brammer, do Cosmic Dawn Center e do Instituto Niels Bohr; Andrea Fiebel e Pascal Ochs da Universidade de Genebra; e Nico Cleary, Michaela Hirschmann, Peter van Dokkum e Rohan Naidu da Universidade de Genebra. Universidade de Yale; Ivo Lappé, da Universidade de Stanford; Jorrit Mathie e Jenny Green de Universidade de PrincetonIan McConachie e Rachel Bezanson, da Universidade de Pittsburgh; Josephine Baggin, da Texas A&M University; Catherine Suss, do Observatório Soverny, na Suíça; David Seaton, do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT; Erica Nelson, da Universidade do Colorado; e Christina Williams, do Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia Óptica Infravermelha da Fundação Nacional de Ciência dos EUA e da Universidade do Arizona.