Τα «Κόκκινα Τέρατα» του James Webb

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι ο σχηματισμός γαλαξιών ακολουθούσε ένα πολύ συγκεκριμένο μοντέλο: το κοσμικό αέριο συγκεντρώνεται σε συσσωματώματα, τα αστέρια γεννιούνται από αυτά τα συσσωματώματα και, με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών, οι αστρικές γειτονιές αυξάνονται σταδιακά σε μέγεθος. Ωστόσο, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb έχει ανατρέψει αυτό το μοντέλο.

Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες εντόπισαν τρεις τεράστιους γαλαξίες, οι οποίοι ονομάστηκαν ονομάστηκαν «Κόκκινα Τέρατα», ο καθένας σχεδόν στο μέγεθος του Γαλαξία μας, και εμφανίστηκαν μόλις ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang. Αν και αυτό ακούγεται σαν πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, στο 14 δισεκατομμυρίων ετών Σύμπαν μας, μόλις ένα δισεκατομμύριο χρόνια είναι σχετικά νωρίς. Αυτοί οι γαλαξίες εγείρουν επομένως ένα θεμελιώδες ερώτημα: πώς έγιναν τόσο μεγάλοι, τόσο γρήγορα;

Όταν οι αστρονόμοι εξέτασαν αρχικά το πρώιμο Σύμπαν χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, περίμεναν να βρουν γαλαξίες που δεν ήταν πλήρως ανεπτυγμένοι, αλλά εξεπλάγησαν όταν ανακάλυψαν όχι μόνο πλήρως ανεπτυγμένους, αλλά και ογκώδεις γαλαξίες. Αυτή η «κρίση στην κοσμολογία» υπέδειξε την ανάγκη να επανεκτιμήσουμε την κατανόησή μας για την εξέλιξη του Σύμπαντος μετά το Big Bang.

Τον περασμένο Αύγουστο, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτοί οι γαλαξίες μπορεί να φαίνονται μεγαλύτεροι και φωτεινότεροι επειδή έχουν ενεργά τροφοδοτούμενες μαύρες τρύπες, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι οι απροσδόκητα «ογκώδεις» γαλαξίες είναι στην πραγματικότητα λιγότερο ογκώδεις από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Ωστόσο, το ενδιαφέρον είναι ότι η νέα αυτή μελέτη δεν αποκάλυψε στοιχεία για τους λεγόμενους «ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (AGN)» σε αυτούς τους γαλαξίες, αποκλείοντας την πιθανότητα οι έντονες εκπομπές τους να προέρχονται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους.

Ως εκ τούτου, το επιστημονικό επιτελείο κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα ακραία χαρακτηριστικά αυτών των γαλαξιών – η υψηλή μάζα και ο ταχύς σχηματισμός αστέρων – είναι εγγενή στους ίδιους τους γαλαξίες και δεν οδηγούνται από έναν ενεργό πυρήνα. Πώς μπορεί να συμβαίνει αυτό;

Η μελέτη έγινε υπό την καθοδήγηση μιας διεθνούς ομάδας του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE) και αξιοποίησε δεδομένα από την έρευνα FRESCO του JWST. Επικεντρώθηκε σε γαλαξίες με τιμές ερυθράς μετατόπισης μεταξύ z = 5 και z = 9, όταν το Σύμπαν είχε ηλικία μόλις 1 δισεκατομμυρίου έως 1,5 δισεκατομμυρίων ετών. Η ερυθρομετατόπιση μετράει πόσο τεντώνεται το μήκος κύματος του φωτός που προέρχεται από μακρινά αντικείμενα στο δρόμο τους προς τους ανιχνευτές μας λόγω του διαστελλόμενου Σύμπαντος, με τις υψηλότερες τιμές να υποδηλώνουν μεγαλύτερη απόσταση και ηλικία. Η ομάδα χρησιμοποίησε τον φασματογράφο Grism της κάμερας εγγύς υπερύθρου (NIRCam) της FRESCO για να μετρήσει τις αποστάσεις και τις αστρικές μάζες των γαλαξιών.

«Το όργανο που βρίσκεται στο διαστημικό τηλεσκόπιο μας επιτρέπει να εντοπίσουμε και να μελετήσουμε την ανάπτυξη των γαλαξιών με την πάροδο του χρόνου και να αποκτήσουμε μια σαφέστερη εικόνα του τρόπου με τον οποίο συσσωρεύεται η αστρική μάζα κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας», εξήγησε σε δήλωσή του ο Pascal Oesch, αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Θετικών Επιστημών του UNIGE και κύριος ερευνητής αυτού του προγράμματος παρατήρησης.

Η ανάλυση της ομάδας επικεντρώθηκε σε 36 ογκώδεις, σκονισμένους γαλαξίες που σχηματίζουν αστέρια, οι οποίοι επιλέχθηκαν για το μοναδικό κόκκινο χρώμα τους και τις εμφανείς γραμμές εκπομπής τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι ογκώδεις και σημαντικά καλυμμένοι από σκόνη. Αν και οι περισσότεροι γαλαξίες ταίριαζαν με τα θεωρητικά μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών, τρεις κατηγοριοποιήθηκαν ως «υπερμαζικοί» και είχαν ασυνήθιστα υψηλούς ρυθμούς σχηματισμού άστρων.

Τα τρία «Κόκκινα Τέρατα» εμφανίζονται κόκκινα στις εικόνες του JWST λόγω της μεγάλης περιεκτικότητάς τους σε σκόνη, η οποία τους κάνει να απορροφούν μικρότερα μήκη κύματος του φωτός και να διασκορπίζουν το υπόλοιπο φως σε μεγαλύτερα, κοκκινωπά μήκη κύματος. Το JWST μπορεί να τα παρατηρήσει τόσο καθαρά επειδή συλλαμβάνει υπέρυθρο φως, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δουν πέρα από τη σκόνη, σε αντίθεση με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το οποίο περιορίζεται στο οπτικό φάσμα του φωτός. Αυτή η ικανότητα να βλέπουμε μέσα από την κοσμική σκόνη είναι ένας από τους λόγους που το JWST έχει φέρει επανάσταση στην άποψή μας για το Σύμπαν.

Επιστρέφοντας σε αυτά τα Κόκκινα Τέρατα, τα νέα δεδομένα του JWST έδειξαν ότι αυτοί οι γαλαξίες παράγουν αστέρια περίπου δύο έως τρεις φορές πιο αποτελεσματικά από τους γαλαξίες στο μεταγενέστερο Σύμπαν.

Οι αστρικές μάζες αυτών των τριών γαλαξιών είναι τόσο μεγάλες που απαιτούν μια απόδοση μετατροπής αστρικής σκόνης-αερίου σε αστρική μάζα περίπου 50%, υψηλότερη από την τυπική απόδοση που παρατηρείται στους γαλαξίες σήμερα. Για παράδειγμα, οι περισσότεροι γαλαξίες σε μεταγενέστερες εποχές μετατρέπουν μόνο το 20% περίπου του διαθέσιμου αερίου τους σε αστέρια. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι το πρώιμο Σύμπαν μπορεί να είχε ένα διαφορετικό σύνολο συνθηκών που επέτρεπαν πολύ ταχύτερη και αποτελεσματικότερη ανάπτυξη γαλαξιών.

«Η έρευνά μας μεταμορφώνει την κατανόηση της πρώιμης δημιουργίας γαλαξιών», δήλωσε ο Mengyuan Xiao, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής στη Σχολή Θετικών Επιστημών του UNIGE.

Τα ακριβή αίτια αυτής της επιταχυνόμενης ανάπτυξης παραμένουν ένα μυστήριο. Μπορεί να βασίζονται σε παράγοντες όπως πιο άφθονο αέριο, ταχύτερους ρυθμούς ψύξης του αερίου ή άλλες συνθήκες που δεν έχουν γίνει ακόμη κατανοητές. Μελλοντικές παρατηρήσεις με το JWST και το Atacama Large Millimeter Array (ALMA) θα δώσουν βαθύτερες πληροφορίες για αυτά τα υπερμεγέθη «Κόκκινα Τέρατα» και θα παρέχουν μεγαλύτερα δείγματα αυτών των πηγών.

«Καθώς μελετάμε αυτούς τους γαλαξίες σε μεγαλύτερο βάθος, θα προσφέρουν νέες γνώσεις για τις συνθήκες που διαμόρφωσαν τις πρώτες εποχές του Σύμπαντος. Τα “Κόκκινα Τέρατα” είναι μόνο η αρχή μιας νέας εποχής στην εξερεύνηση του πρώιμου Σύμπαντος», κατέληξε ο Xiao.

[via]