Ahli astrofisika menjelaskan kecerahan fajar kosmik yang ‘mustahil’

Kilatan cahaya yang kuatlah, bukan massa, yang memecahkan teka-teki kecerahan yang mustahil.

Ketika para ilmuwan mengamati Teleskop Luar Angkasa James WebbGambar pertama JWST tentang galaksi pertama di alam semesta mengejutkan mereka. Galaksi-galaksi muda tampak terlalu terang, terlalu masif, dan terlalu matang untuk terbentuk segera setelah Big Bang. Ini akan seperti bayi yang tumbuh menjadi dewasa hanya dalam dua tahun.

Bahkan penemuan yang luar biasa Hal ini menyebabkan beberapa fisikawan mempertanyakan model standar kosmologibertanya-tanya apakah harus dibalik atau tidak.

Kecerahan galaksi versus massa

Menggunakan simulasi baru, a Universitas Barat LautSebuah tim astrofisikawan kini telah menemukan bahwa galaksi-galaksi ini mungkin tidak terlalu besar. Meskipun kecerahan suatu galaksi biasanya ditentukan oleh massanya, hasil baru menunjukkan bahwa galaksi yang lebih kecil dapat bersinar sama terangnya dari ledakan pembentukan bintang yang tidak teratur dan cemerlang.

Penemuan ini tidak hanya menjelaskan mengapa galaksi-galaksi kecil tampak begitu kecil, namun juga sesuai dengan model standar kosmologi.

Penelitian ini dipublikasikan pada 3 Oktober di Surat Jurnal Astrofisika.

Rendering galaksi bintang awal oleh seniman. Gambar tersebut disediakan oleh data simulasi FIRE yang digunakan dalam penelitian ini yang dapat menjelaskan hasil JWST terbaru. Bintang dan galaksi tampak sebagai titik cahaya putih terang, sedangkan materi gelap dan gas yang lebih tersebar tampak berwarna ungu dan merah. Sumber: Aaron M. Geller, Barat Laut, CIERA+IT-RCDS

“Penemuan galaksi-galaksi ini merupakan kejutan besar karena ternyata jauh lebih terang dari yang diperkirakan,” kata Claude-André Foucher-Géguier, penulis senior studi tersebut dari Northwestern University. “Biasanya sebuah galaksi terang karena ukurannya yang besar. Namun karena galaksi-galaksi ini terbentuk pada fajar kosmik, tidak cukup waktu yang berlalu sejak saat itu.” ledakan besar itu. Bagaimana galaksi-galaksi raksasa ini dapat berkumpul dengan begitu cepat? Simulasi kami menunjukkan bahwa galaksi tidak memiliki masalah dalam membentuk kecerahan ini dengan fajar kosmik.

“Kuncinya adalah mereproduksi jumlah cahaya yang cukup dalam sistem dalam waktu singkat,” tambah Zhao Zhao Sun, yang memimpin penelitian. “Hal ini bisa terjadi karena sistemnya sangat masif atau karena ia mempunyai kemampuan menghasilkan banyak cahaya dengan cepat. Dalam kasus terakhir, sistemnya tidak perlu terlalu masif. Jika pembentukan bintang terjadi dalam ledakan, maka ia akan mengeluarkan emisi.” kilatan cahaya.” Itu sebabnya kita melihat begitu banyak galaksi yang sangat terang.

Faucher Giguere adalah profesor fisika dan astronomi di Universitas Northwestern Sekolah Tinggi Seni dan Sains Weinberg Dan anggota Pusat Eksplorasi dan Penelitian Interdisipliner di Astrofisika (Berjalan). Sun adalah rekan pascadoktoral CIERA di Northwestern University.

Memahami fajar kosmik

Periode yang berlangsung sekitar 100 juta tahun hingga satu miliar tahun setelah Big Bang, fajar kosmik ditandai dengan pembentukan bintang dan galaksi pertama di alam semesta. Sebelum Teleskop Luar Angkasa James Webb diluncurkan ke luar angkasa, para astronom hanya mengetahui sedikit tentang periode waktu kuno ini.

“Teleskop Luar Angkasa James Webb telah memberi kita banyak pengetahuan tentang fajar kosmik,” kata Sun. “Sebelum Teleskop Luar Angkasa James Webb, sebagian besar pengetahuan kita tentang alam semesta awal hanyalah spekulasi berdasarkan data dari sumber yang sangat sedikit. Dengan peningkatan besar dalam daya observasi, kita dapat melihat detail fisik tentang galaksi dan menggunakan bukti pengamatan yang kuat untuk mempelajari fisika guna memahami apa yang sedang terjadi.”

Simulasi dan hasil tingkat lanjut

Dalam studi baru ini, Sun, Foucher-Géger, dan tim mereka menggunakan simulasi komputer canggih untuk memodelkan bagaimana galaksi terbentuk segera setelah Big Bang. Simulasi tersebut menghasilkan galaksi fajar kosmik yang sama terangnya dengan yang diamati oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Simulasi adalah bagian dari Umpan balik dari lingkungan relatif Proyek FIRE, yang didirikan bersama Faucher-Géger dengan kolaborator di Caltech, Universitas Princeton, dan Universitas California, San Diego. Studi baru ini melibatkan kolaborator dari Pusat Astrofisika Komputasi Institut Flatiron, Institut Teknologi Massachusetts, dan Universitas California, Davis.

Simulasi KEBAKARAN menggabungkan teori astrofisika dengan algoritma canggih untuk memodelkan pembentukan galaksi. Model-model ini memungkinkan para peneliti untuk mengeksplorasi bagaimana galaksi terbentuk, tumbuh, dan berubah bentuk, dengan mempertimbangkan energi, massa, momentum, dan unsur kimia yang kembali dari bintang-bintang.

Ketika Sun, Fouché-Géger dan tim mereka menjalankan simulasi untuk memodelkan galaksi-galaksi awal yang terbentuk pada fajar kosmik, mereka menemukan bahwa bintang-bintang terbentuk melalui ledakan – sebuah konsep yang dikenal sebagai “pembentukan bintang eksplosif.” Di galaksi besar seperti Bima SaktiBintang terbentuk dengan kecepatan yang konstan, dan jumlah bintang secara bertahap bertambah seiring waktu. Namun yang disebut pembentukan bintang eksplosif terjadi ketika bintang-bintang terbentuk dalam pola bergantian – banyak bintang sekaligus, diikuti jutaan tahun dengan sangat sedikit bintang baru, dan kemudian banyak bintang lagi.

“Pembentukan bintang yang bersifat eksplosif sangat umum terjadi di galaksi bermassa rendah,” kata Faucher-Géguère. “Rincian mengapa hal ini terjadi masih menjadi subyek penelitian yang sedang berlangsung. Tapi apa yang kami pikir terjadi adalah ledakan bintang terbentuk, dan kemudian beberapa juta tahun kemudian, bintang-bintang tersebut meledak sebagai supernova. Gas tersebut dikeluarkan dan kemudian kembali ke atmosfer.” membentuk bintang-bintang baru, yang mengarah ke siklus pembentukan bintang. Namun ketika galaksi-galaksi menjadi cukup besar, mereka mempunyai gravitasi yang jauh lebih kuat. Ketika supernova meledak, kekuatan tersebut tidak cukup kuat untuk memaksa gas keluar dari sistem. Gravitasi menyatukan galaksi-galaksi dan menempatkannya dalam sebuah keadaan stabil.

Galaksi terang dan model alam semesta

Simulasi tersebut juga mampu menghasilkan galaksi terang dalam jumlah yang sama seperti yang terdeteksi oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Dengan kata lain, jumlah galaksi terang yang diprediksi melalui simulasi sesuai dengan jumlah galaksi terang yang diamati.

Meskipun ahli astrofisika lain telah berhipotesis bahwa ledakan pembentukan bintang mungkin bertanggung jawab atas kecerahan galaksi yang tidak biasa saat fajar kosmik, para peneliti di Universitas Northwestern adalah orang pertama yang menggunakan simulasi komputer terperinci untuk membuktikan bahwa hal tersebut mungkin terjadi. Mereka mampu melakukan hal ini tanpa menambahkan faktor-faktor baru yang tidak sesuai dengan model standar alam semesta kita.

“Sebagian besar cahaya di galaksi berasal dari bintang paling masif,” kata Faucher-Géger. “Karena bintang yang lebih masif terbakar dengan kecepatan lebih tinggi, umurnya lebih pendek. Mereka menghabiskan bahan bakarnya dengan cepat dalam reaksi nuklir. Oleh karena itu, kecerahan sebuah galaksi lebih berhubungan langsung dengan jumlah bintang yang terbentuk dalam beberapa waktu terakhir. juta tahun dibandingkan massa galaksi secara keseluruhan.”

Referensi: “Pembentukan bintang eksplosif secara alami menjelaskan banyaknya galaksi terang saat fajar kosmik” oleh Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier, dan Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel, dan Rachel K. Cochrane, 3 Oktober 2023, Tersedia di sini. Surat Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

Penelitian ini sebelumnya didukung NASA Dan Yayasan Sains Nasional.