Astrofísicos explicam brilho “impossível” no amanhecer cósmico

Imagens do Telescópio Espacial James Webb de galáxias primitivas mostram um brilho inesperado e levantam questões sobre a nossa compreensão da cosmologia. As simulações da Northwestern University sugerem que a luminosidade destas galáxias se deve à formação estelar esporádica, e não à escala massiva, consistente com os modelos cosmológicos atuais.

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

Quando os cientistas visitaram O Telescópio Espacial James WebbAs primeiras imagens das primeiras galáxias do Universo (JWST) os chocaram. Galáxias jovens parecem demasiado brilhantes, demasiado massivas e demasiado maduras para se formarem logo após o Big Bang. É como uma criança crescendo e se tornando adulta em alguns anos.

Uma descoberta surpreendente também Alguns físicos questionaram o modelo padrão da cosmologiaPensei em aumentá-lo ou não.

Brilho Galáctico vs. Massa

Usando novas simulações, A Universidade do NoroesteA equipe liderada por astrofísicos descobriu agora que essas galáxias não são tão massivas. Embora o brilho de uma galáxia seja geralmente determinado pela sua massa, as novas descobertas sugerem que galáxias menos massivas brilham intensamente a partir de explosões irregulares e brilhantes de formação estelar.

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

O estudo foi publicado em 3 de outubro Cartas de diários astrofísicos.

Galáxias em explosão de estrelas

Impressão artística das primeiras galáxias estelares. A imagem é apresentada a partir dos dados de simulação FIRE usados ​​para esta pesquisa que podem explicar os resultados recentes do JWST. Estrelas e galáxias são mostradas como pontos de luz brancos brilhantes, enquanto a matéria escura e o gás mais difusos são mostrados em roxo e vermelho. Crédito: Aaron M. Keller, Noroeste, CIERA + IT-RCDS

“A descoberta destas galáxias foi uma grande surpresa porque eram significativamente mais brilhantes do que o esperado,” disse Claude-André Faucher-Giguère da Northwestern, autor sénior do estudo. “Geralmente, quanto maior é uma galáxia, mais brilhante ela é. Mas desde que estas galáxias se formaram na madrugada cósmica, não passou tempo suficiente Big Bang. Como podem estas galáxias massivas formar-se tão rapidamente? Nossas simulações mostram que as galáxias não têm problemas em produzir esse brilho durante o amanhecer cósmico.

“A chave é reproduzir luz suficiente num sistema num curto espaço de tempo”, disse Guachao Sun, que liderou o estudo. “Isso pode acontecer porque o sistema é realmente massivo ou porque tem a capacidade de produzir mais luz rapidamente. Neste último caso, um sistema não precisa de ser massivo. Se a formação estelar ocorrer em explosões, emite flashes de luz. É por isso que vemos tantas galáxias brilhantes.

Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia na Northwestern. Faculdade de Artes e Ciências Weinberg e um membro Centro de Estudos e Pesquisas Interdisciplinares em Astrofísica (CIERA). Sun é pós-doutorado do CIERA na Northwestern.

Compreendendo o Amanhecer Cósmico

A Aurora Cósmica é um período que dura cerca de 100 milhões de anos a 1 bilhão de anos após o Big Bang, marcado pela formação das primeiras estrelas e galáxias do universo. Antes do JWST ser lançado ao espaço, os astrônomos sabiam muito pouco sobre esse período antigo.

“O JWST nos trouxe muito conhecimento sobre o Cosmic Dawn”, disse Sun. “Antes do JWST, a maior parte do nosso conhecimento do universo primitivo era especulação baseada em dados de muito poucas fontes. Com enormes aumentos no poder de observação, podíamos ver detalhes físicos sobre galáxias e usar essas evidências observacionais sólidas para estudar a física do que era. indo.

Simulações e invenções avançadas

No novo estudo, Sun, Faucher-Giqueur e sua equipe usaram simulações computacionais avançadas para modelar como as galáxias se formaram após o Big Bang. As simulações produziram galáxias cósmicas do amanhecer que eram tão brilhantes quanto as observadas pelo JWST. Simulações são uma parte O conceito de contextos relativos (FIRE), que Faucher-Giguère estabeleceu com colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Universidade de Princetone a Universidade da Califórnia em San Diego. O novo estudo envolve 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 e algoritmos avançados para simular a formação de galáxias. Estes modelos ajudam os investigadores a calcular como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, ao mesmo tempo que calculam a energia, a massa, o momento e a composição química das estrelas.

Quando Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa realizaram simulações para modelar as primeiras galáxias formadas na madrugada cósmica, descobriram que as estrelas se formam em explosões – um processo denominado “formação estelar em explosão”. Em galáxias massivas como via Láctea, as estrelas se formam a uma taxa constante, com o número de estrelas aumentando gradualmente ao longo do tempo. Mas a chamada formação estelar em explosão ocorre quando as estrelas se formam num padrão alternado – muitas estrelas ao mesmo tempo, menos estrelas novas após milhões de anos e depois muitas estrelas novamente.

“A formação estelar explosiva é mais comum em galáxias de baixa massa”, disse Faucher-Giqueur. “Os detalhes da razão pela qual isto acontece ainda estão sob investigação em curso. Mas o que pensamos é que as estrelas estão a formar-se e, depois de alguns milhões de anos, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é ejetado e cai de volta para formar novas estrelas, que impulsiona o ciclo de formação de estrelas. Mas as galáxias têm o suficiente. Quando o tamanho é grande, elas têm uma atração gravitacional muito forte. Quando as supernovas explodem, elas não são fortes o suficiente para expelir o gás do sistema. A gravidade mantém a galáxia unida e a aproxima. em um estado estável.

Galáxias brilhantes e um modelo do universo

As simulações foram capazes de produzir a mesma abundância de galáxias brilhantes reveladas pelo JWST. Em outras palavras, o número de galáxias brilhantes previsto pelas simulações corresponde ao número observado de galáxias brilhantes.

Enquanto outros astrofísicos levantam a hipótese de que as explosões de formação estelar podem ser responsáveis ​​pelo brilho incomum das galáxias no amanhecer cósmico, os investigadores da Northwestern estão a usar simulações computacionais detalhadas para demonstrar que isso é possível. Eles conseguiram fazer isso sem adicionar novos fatores que não estivessem vinculados ao nosso modelo padrão do universo.

“A maior parte da luz numa galáxia vem das estrelas mais massivas”, disse Faucher-Giguère. “Como estrelas mais massivas queimam a uma taxa mais elevada, elas vivem vidas mais curtas. Elas consomem combustível mais rapidamente em reações nucleares. Portanto, a luminosidade de uma galáxia está mais diretamente relacionada com quantas estrelas ela formou nos últimos milhões de anos do que à massa de toda a galáxia.

Nota: “A formação estelar em explosão explica naturalmente a abundância de galáxias brilhantes no amanhecer cósmico” Cartas de diários astrofísicos.
DOI: 10.3847/2041-8213/acf85a

O estudo apoiou NASA e a Fundação Nacional de Ciência.

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