Los astrofísicos explican el brillo ‘imposible’ del amanecer cósmico

Son intensos destellos de luz, no masa, los que resuelven el imposible rompecabezas del brillo.

Cuando los científicos observaron Telescopio espacial James WebbLas primeras imágenes del JWST de las primeras galaxias del universo los sorprendieron. Las galaxias jóvenes parecían demasiado brillantes, demasiado masivas y demasiado maduras para haberse formado tan pronto después del Big Bang. Será como un bebé que se convertirá en adulto en sólo dos años.

Un descubrimiento sorprendente incluso Esto llevó a algunos físicos a cuestionar el modelo estándar de cosmología.preguntándose si se debe voltear o no.

Brillo de galaxia versus masa

Usando una nueva simulación, un Northwestern UniversityUn equipo de astrofísicos ha descubierto que, después de todo, estas galaxias probablemente no sean muy masivas. Aunque el brillo de una galaxia suele estar determinado por su masa, nuevos resultados sugieren que las galaxias menos masivas pueden brillar con el mismo brillo a partir de estallidos irregulares y brillantes de formación estelar.

Este descubrimiento no sólo explica por qué las galaxias pequeñas parecen tan engañosamente pequeñas, sino que también encaja dentro del modelo estándar de cosmología.

La investigación fue publicada el 3 de octubre en Cartas de revistas astrofísicas.

Representación artística de las primeras galaxias estelares. La imagen proviene de los datos de simulación FIRE utilizados en esta investigación, lo que podría explicar los resultados recientes del JWST. Las estrellas y galaxias aparecen como puntos de luz blancos brillantes, mientras que la materia oscura y los gases más difusos aparecen en color púrpura y rojo. Fuente: Aarón M. Geller, Noroeste, CIERA+IT-RCDS

«El descubrimiento de estas galaxias fue una gran sorpresa porque eran mucho más brillantes de lo esperado», dijo Claude-André Foucher-Géguier, autor principal del estudio de la Universidad Northwestern. «Normalmente una galaxia es brillante porque es grande. Pero como estas galaxias se formaron en el amanecer cósmico, no ha pasado suficiente tiempo desde entonces». la gran explosión. ¿Cómo pueden estas galaxias masivas reunirse tan rápidamente? Nuestras simulaciones muestran que las galaxias no tienen problemas para moldear este brillo con el amanecer cósmico.

«La clave es reproducir una cantidad suficiente de luz en el sistema en un corto período de tiempo», añadió Zhao Zhao Sun, quien dirigió el estudio. «Esto podría suceder porque el sistema es realmente masivo o porque tiene la capacidad de producir mucha luz rápidamente. En el último caso, el sistema no necesita ser tan masivo. Si la formación de estrellas ocurre en ráfagas, emitirá destellos de luz”. Por eso vemos tantas galaxias muy brillantes.

Faucher Giguere es profesor asociado de física y astronomía en la Universidad Northwestern. Facultad de Artes y Ciencias Weinberg Y un miembro de Centro Interdisciplinario de Exploración e Investigación en Astrofísica (Caminar). Sun es becario postdoctoral CIERA en la Universidad Northwestern.

Entendiendo el amanecer cósmico

El amanecer cósmico, un período que dura aproximadamente entre 100 millones y mil millones de años después del Big Bang, se caracteriza por la formación de las primeras estrellas y galaxias del universo. Antes de que el telescopio espacial James Webb fuera lanzado al espacio, los astrónomos sabían muy poco sobre este antiguo período.

«El telescopio espacial James Webb nos ha aportado mucho conocimiento sobre el amanecer cósmico», dijo Sun. «Antes del telescopio espacial James Webb, la mayor parte de nuestro conocimiento sobre el universo temprano era especulación basada en datos de muy pocas fuentes. Con el enorme aumento en el poder de observación, podemos ver detalles físicos sobre las galaxias y usar evidencia observacional poderosa para estudiar la física para entender lo que está pasando”.

Simulación avanzada y resultados.

En el nuevo estudio, Sun, Foucher-Géger y su equipo utilizaron simulaciones informáticas avanzadas para modelar cómo se formaron las galaxias inmediatamente después del Big Bang. Las simulaciones produjeron galaxias del amanecer cósmico que eran tan brillantes como las observadas por el Telescopio Espacial James Webb. Las simulaciones son parte de Comentarios de entornos relativos El proyecto FIRE, que Faucher-Géger cofundó con colaboradores de Caltech, Universidad de Princetony Universidad de California, San Diego. El nuevo estudio incluye colaboradores del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de California, Davis.

Las simulaciones de FIRE combinan la teoría astrofísica con algoritmos avanzados para modelar la formación de galaxias. Estos modelos permiten a los investigadores explorar cómo se forman, crecen y cambian de forma las galaxias, teniendo en cuenta la energía, la masa, el momento y los elementos químicos que regresan de las estrellas.

Cuando Sun, Fouché-Géger y su equipo realizaron simulaciones para modelar las primeras galaxias que se formaron en el amanecer cósmico, descubrieron que las estrellas se formaban en explosiones, un concepto conocido como «formación estelar explosiva». En galaxias masivas como vía LácteaLas estrellas se forman a un ritmo constante y el número de estrellas aumenta gradualmente con el tiempo. Pero la llamada formación estelar explosiva ocurre cuando las estrellas se forman en un patrón alterno: muchas estrellas a la vez, seguidas de millones de años de muy pocas estrellas nuevas, y luego muchas estrellas nuevamente.

«La formación de estrellas explosivas es particularmente común en galaxias de baja masa», dijo Faucher-Géger. «Los detalles de por qué sucede esto todavía son objeto de investigación en curso. Pero lo que creemos que sucede es que se forma una explosión de estrellas, y luego, unos pocos millones de años después, esas estrellas explotan como supernovas. El gas es expulsado y luego regresa a forman nuevas estrellas, lo que lleva al ciclo de formación de estrellas. Pero cuando las galaxias se vuelven lo suficientemente masivas, tienen una gravedad mucho más fuerte. Cuando las supernovas explotan, no es lo suficientemente fuerte como para expulsar el gas del sistema. La gravedad mantiene unida a la galaxia y la coloca en un estado estable.

Galaxias brillantes y el modelo del universo.

Las simulaciones también pudieron producir la misma abundancia de galaxias brillantes detectadas por el Telescopio Espacial James Webb. En otras palabras, el número de galaxias brillantes predichas por las simulaciones coincide con el número de galaxias brillantes observadas.

Aunque otros astrofísicos han planteado la hipótesis de que la formación estelar explosiva podría ser responsable del brillo inusual de las galaxias en el amanecer cósmico, los investigadores de la Universidad Northwestern son los primeros en utilizar simulaciones detalladas por computadora para demostrar que esto es posible. Pudieron hacer esto sin agregar nuevos factores que no se ajusten a nuestro modelo estándar del universo.

«La mayor parte de la luz de la galaxia proviene de las estrellas más masivas», dijo Faucher-Géger. «Debido a que las estrellas más masivas arden a mayor velocidad, tienen una vida más corta. Consumen su combustible rápidamente en reacciones nucleares. Por lo tanto, el brillo de una galaxia está más directamente relacionado con la cantidad de estrellas que se han formado en los últimos años». millones de años que a la masa de la galaxia en su conjunto”.

Referencia: “La formación estelar explosiva explica naturalmente la abundancia de galaxias brillantes en el amanecer cósmico” por Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier y Christopher C. Hayward, Xiujian Chen, Andrew Wetzel y Rachel K. Cochrane, 3 de octubre de 2023, disponible aquí. Cartas de revistas astrofísicas.
doi: 10.3847/2041-8213/acf85a

El estudio fue apoyado previamente NASA Y la Fundación Nacional de Ciencias.