天体物理学者が宇宙の夜明けの「ありえない」明るさを説明

不可能な明るさのパズルを解くのは、質量ではなく、強烈な光のフラッシュです。

科学者たちが調べたとき ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡JWST による宇宙最初の銀河の最初の画像は彼らに衝撃を与えました。 若い銀河は、ビッグバン直後に形成されたにしては明るすぎ、大きすぎ、成熟しすぎているように見えました。 赤ちゃんがたった2年で大人になるのと同じです。

驚くべき発見でも、 これにより、一部の物理学者は宇宙論の標準模型に疑問を抱くようになりました。、反転すべきかどうか迷っています。

銀河の明るさと質量

新しいシミュレーションを使用すると、 ノースウェスタン大学天体物理学者のチームは、これらの銀河は結局のところそれほど大きくない可能性があることを発見しました。 銀河の明るさは通常その質量によって決まりますが、新しい研究結果は、それほど質量のない銀河でも不規則で輝かしい星形成のバーストによって同様に明るく輝く可能性があることを示唆しています。

この発見は、なぜ小さな銀河が見かけによらず小さく見えるのかを説明するだけでなく、宇宙論の標準モデルにも当てはまります。

この研究は10月3日に雑誌に掲載されました。 天体物理学ジャーナルレター。

アーティストによる初期の恒星銀河のレンダリング。 この画像は、この研究で使用された FIRE シミュレーション データによって提供されており、最近の JWST の結果を説明できる可能性があります。 星や銀河は明るい白い光の点として見えますが、暗黒物質やより拡散したガスは紫や赤で見えます。 出典: アーロン M. ゲラー、ノースウェスタン、CIERA+IT-RCDS

「これらの銀河の発見は、予想よりもはるかに明るかったので、大きな驚きでした」と、この研究の主任著者であるノースウェスタン大学のクロード・アンドレ・フーシェ・ジェギエ氏は語った。 「通常、銀河は大きいため明るいです。しかし、これらの銀河は宇宙の夜明けに形成されたため、それから十分な時間が経過していません。」 大爆発。 これらの巨大な銀河はどのようにしてこれほど早く集合できるのでしょうか? 私たちのシミュレーションは、銀河が宇宙の夜明けとともにこの明るさを問題なく形成していることを示しています。

研究を主導したZhao Zhao Sun氏は、「重要なのは、システム内で短時間内に十分な量の光を再現することだ」と付け加えた。 「これは、その星系が非常に巨大であるため、または大量の光を素早く生成する能力があるために起こる可能性があります。後者の場合、星系はそれほど巨大である必要はありません。星形成がバースト的に発生すると、星が放出されます。」それが、非常に明るい銀河がたくさん見られる理由です。

ファウシェ・ジゲールはノースウェスタン大学の物理学と天文学の准教授です。 ワインバーグ芸術科学大学 そして、のメンバー 天体物理学学際探査研究センター （歩く）。 Sun はノースウェスタン大学の CIERA 博士研究員です。

宇宙の夜明けを理解する

ビッグバン後約 1 億年から 10 億年続く宇宙の夜明けは、宇宙で最初の星や銀河の形成によって特徴付けられます。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が宇宙に打ち上げられるまで、天文学者はこの古代の時代についてほとんど知りませんでした。

「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、宇宙の夜明けについて多くの知識を私たちにもたらしてくれました」とサン氏は語った。 「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が登場する前は、初期宇宙に関する私たちの知識のほとんどは、ごく少数の情報源からのデータに基づく推測でした。観測能力が大幅に向上したことで、銀河の物理的な詳細を確認できるようになり、強力な観測証拠を使用して物理学を研究して、何が起こっているのか理解してください。」

高度なシミュレーションと結果

新しい研究では、太陽、フーシェ・ジェジェ、および彼らのチームは高度なコンピュータシミュレーションを使用して、ビッグバン直後に銀河がどのように形成されたかをモデル化しました。 このシミュレーションにより、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で観測されたものと同じくらい明るい宇宙の夜明けの銀河が生成されました。 シミュレーションは以下の一部です 相対的な環境からのフィードバック ファウシェ・ジェジェ氏がカリフォルニア工科大学の協力者らと共同設立したFIREプロジェクトは、 プリンストン大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校。 この新しい研究には、フラットアイアン研究所計算天体物理学センター、マサチューセッツ工科大学、カリフォルニア大学デービス校の共同研究者が参加している。

FIRE シミュレーションは、天体物理理論と高度なアルゴリズムを組み合わせて銀河形成をモデル化します。 これらのモデルを使用すると、研究者は、星から戻ってくるエネルギー、質量、運動量、化学元素を考慮して、銀河がどのように形成、成長、形状変化するかを調べることができます。

太陽、フーシェ・ジェジェらのチームが宇宙の夜明けに形成された初期の銀河をモデル化するシミュレーションを実行したとき、彼らは星が爆発によって形成されること、つまり「爆発的星形成」として知られる概念を発見しました。 のような大質量銀河では、 天の川星は一定の速度で形成され、時間の経過とともに星の数が徐々に増加します。 しかし、いわゆる爆発的な星形成は、星が交互のパターンで形成されるときに起こります。一度に多数の星が形成され、その後何百万年もの間、非常に少数の新しい星が続き、その後再び多数の星が形成されます。

「爆発的な星の形成は、低質量銀河で特に一般的です」とフォーシェ・ジェガー氏は述べた。 「なぜこれが起こるのかについては、まだ研究が続けられています。しかし、私たちが考えているのは、星の爆発が起こり、数百万年後にそれらの星が超新星として爆発するということです。ガスは放出され、その後元の場所に戻ります」新しい星が形成され、星形成サイクルが始まります。しかし、銀河が十分に大きくなると、重力がはるかに強くなります。超新星爆発のとき、ガスを系外に押し出すほどの強さはありません。重力は銀河をまとめて保持し、銀河をある状態にします。安定した状態。

明るい銀河と宇宙模型

このシミュレーションでは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で検出されたのと同じ量の明るい銀河を生成することもできました。 つまり、シミュレーションによって予測された明るい銀河の数は、観測された明るい銀河の数と一致します。

他の天体物理学者は、爆発的な星形成が宇宙の夜明けの銀河の異常な明るさの原因である可能性があると仮説を立てていますが、ノースウェスタン大学の研究者は、詳細なコンピュータシミュレーションを使用してそれが可能であることを証明した最初の研究者です。 彼らは、宇宙の標準モデルに適合しない新しい要素を追加することなく、これを行うことができました。

「銀河の光のほとんどは最も重い星から来ています」とフォーシェ・ジェガー氏は言う。 「より大きな星ほど高速で燃焼するため、寿命は短くなります。核反応で燃料をすぐに消費してしまいます。したがって、銀河の明るさは、ここ数年に形成された星の数により直接的に関係します」銀河全体の質量よりも100万年長い。」

参考文献: 「爆発的な星の形成は、宇宙の夜明けにおける明るい銀河の豊富さを自然に説明する」Sun Juchao、Claude Andre Faucher-Géguier、Christopher C. ヘイワード、シュージャン チェン、アンドリュー ウェッツェル、レイチェル K. コクラン、2023 年 10 月 3 日、ここから入手可能。 天体物理学ジャーナルレター。
土井: 10.3847/2041-8213/acf85a

この研究は以前に支持されていた NASA そして国立科学財団。