SciTechDaily

ניקולס

מדענים מבולבלים: ווב חושף גלקסיות עתיקות שמתנגדות להסבר

חוקרים חקרו שלושה עצמים מסתוריים ביקום המוקדם. מוצגות כאן תמונות הצבע שלהם, מורכבות משלוש פסי סינון NIRCam על סיפון טלסקופ החלל ג'יימס ווב. הם קומפקטיים להפליא באורכי גל אדומים (מזכה אותם במונח "נקודות אדומות קטנות"), עם כמה עדויות למבנה מרחבי באורכי גל כחולים. קרדיט: Bingjie Wang/Penn State

נאס"אשל טלסקופ החלל ג'יימס ווב חשפה עצמים מסתוריים ביקום המוקדם המאתגרים את התיאוריות הנוכחיות של גלקסיות וסופר-מסיביות חור שחור אבולוציה.

עצמים אלה מכילים כוכבים ישנים וחורים שחורים מסיביים, גדולים בהרבה מהצפוי, מה שמצביע על צורה מהירה ולא שגרתית של היווצרות גלקסיה מוקדמת. הממצאים מדגישים פערים משמעותיים עם מודלים קיימים, ותכונותיהם הייחודיות של האובייקטים מצביעות על היסטוריה קוסמית מוקדמת מורכבת.

גילוי פורץ דרך ביקום המוקדם

תגלית שנערכה לאחרונה על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) של נאס"א אישרה שעצמים זוהרים ואדומים מאוד שזוהו בעבר באתגר היקום המוקדם ביססו רעיונות לגבי המקורות וההתפתחות של הגלקסיות והחורים השחורים העל-מסיביים שלהן.

בהובלת חוקרים מ-Pen State ושימוש במכשיר NIRSpec ב-JWST כחלק מסקר RUBIES, הצוות הבינלאומי זיהה שלושה עצמים חידתיים החל מ-600-800 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול, תקופה שבה היקום היה רק ​​5% מגילו הנוכחי. הם הכריזו על התגלית ב-27 ביוני בכתב העת מכתבי יומן אסטרופיזיים.

המדענים ניתחו מדידות ספקטרליות, או עוצמה של אורכי גל שונים של אור הנפלט מהעצמים. הניתוח שלהם מצא חתימות של כוכבים "ישנים", בני מאות מיליוני שנים, מבוגרים בהרבה מהצפוי ביקום צעיר.

אמן תפיסה איור טלסקופ החלל ג'יימס ווב

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) מציע צוהר לעבר הרחוק של הקוסמוס, לוכד תמונות של הגלקסיות והכוכבים הראשונים של היקום שנוצרו לפני למעלה מ-13.5 מיליארד שנים. קרדיט: NASA-GSFC, אדריאנה מ. גוטיירז (מעבדת CI)

ממצאים בלתי צפויים באבולוציה גלקטית

החוקרים אמרו שהם גם הופתעו לגלות חתימות של חורים שחורים סופר-מאסיביים באותם עצמים, והעריכו שהם מאסיביים פי 100 עד 1,000 מהחור השחור הסופר-מאסיבי שלנו. שביל החלב. אף אחד מאלה אינו צפוי במודלים נוכחיים של צמיחת גלקסיות ויצירת חורים שחורים סופר מסיביים, אשר מצפים שגלקסיות והחורים השחורים שלהן יצמחו יחד במשך מיליארדי שנות היסטוריה קוסמית.

"אישרנו שנראה שהם עמוסים בכוכבים עתיקים – בני מאות מיליוני שנים – ביקום שגילו רק 600-800 מיליון שנים. למרבה הפלא, חפצים אלה מחזיקים בשיא של החתימות המוקדמות ביותר של אור כוכבים ישן", אמר בינג'י וואנג, פוסט-דוקטורט בפן סטייט ומחבר ראשי בעיתון. "זה היה לגמרי לא צפוי למצוא כוכבים ישנים ביקום צעיר מאוד. המודלים הסטנדרטיים של קוסמולוגיה ויצירת גלקסיות היו מוצלחים להפליא, ובכל זאת, העצמים הזוהרים האלה לא ממש מתאימים לתיאוריות האלה".

החוקרים הבחינו לראשונה בעצמים המסיביים ביולי 2022, כאשר מערך הנתונים הראשוני שוחרר מ-JWST. הצוות פרסם מאמר ב טֶבַע מספר חודשים לאחר מכן הודיע ​​על קיומם של החפצים.

אתגרים בתצפית קוסמית

באותו זמן, החוקרים חשדו שהעצמים הם גלקסיות, אך עקבו אחר הניתוח שלהם על ידי נטילת ספקטרים ​​כדי להבין טוב יותר את המרחקים האמיתיים של העצמים, כמו גם את המקורות המפעילים את האור העצום שלהם.

לאחר מכן השתמשו החוקרים בנתונים החדשים כדי לצייר תמונה ברורה יותר של איך נראות הגלקסיות ומה נמצא בתוכם. לא רק שהצוות אישר שהעצמים הם אכן גלקסיות סמוך לתחילת הזמן, אלא שהם גם מצאו עדויות לחורים שחורים סופר-מאסיביים גדולים להפתיע ולאוכלוסיית כוכבים ותיקה באופן מפתיע.

"זה מאוד מבלבל," אמר ג'ואל ליה, עוזר פרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה בפן סטייט ומחבר שותף בשני המאמרים. "אתה יכול לגרום לזה להתאים בצורה לא נוחה למודל הנוכחי שלנו של היקום, אבל רק אם נעורר איזו היווצרות אקזוטית ומהירה בטירוף בתחילת הזמן. זהו, ללא ספק, מכלול החפצים המוזר והמעניין ביותר שראיתי בקריירה שלי".

טלסקופ החלל ג'יימס ווב Cold Side

JWST נועד לצפות בתופעות שהתרחשו מיד לאחר המפץ הגדול, תוך שימוש ביכולות האינפרא אדום המתקדמות שלו כדי להציץ דרך אבק קוסמי ולחשוף מבנים נסתרים בחלל. קרדיט: נורת'רופ גרומן

מסתורין של מבנים גלקטיים עתיקים

ה-JWST מצויד במכשירי חישת אינפרא אדום המסוגלים לזהות אור שנפלט על ידי הכוכבים והגלקסיות העתיקים ביותר. בעיקרו של דבר, הטלסקופ מאפשר למדענים לראות אחורה בזמן בערך 13.5 מיליארד שנים, סמוך לתחילת היקום כפי שאנו מכירים אותו, אמר ליה.

אתגר אחד בניתוח אור עתיק הוא שיכול להיות קשה להבדיל בין סוגי העצמים שיכלו לפלוט את האור. במקרה של עצמים מוקדמים אלה, יש להם מאפיינים ברורים הן של חורים שחורים סופר-מסיביים והן של כוכבים ישנים. עם זאת, הסביר וואנג, עדיין לא ברור כמה מהאור הנצפה מגיע מכל אחת מהן – כלומר אלו יכולות להיות גלקסיות מוקדמות שהן ישנות באופן בלתי צפוי ומסיביות יותר אפילו משביל החלב שלנו, שנוצרות הרבה יותר מוקדם ממה שמודלים חוזים, או שהן יכולות להיווצר. יותר גלקסיות בעלות מסה רגילה עם חורים שחורים "מסיביים מדי", בערך פי 100 עד פי 1,000 יותר מסיבית יותר מכפי שתהיה לגלקסיה כזו כיום.

"ההבחנה בין אור מחומר הנופל לתוך חור שחור לבין אור הנפלט מכוכבים בעצמים הזעירים והמרוחקים הללו היא מאתגרת", אמר וואנג. "חוסר היכולת להבחין בהבדל במערך הנתונים הנוכחי מותיר מקום רב לפרשנות של האובייקטים המסקרנים הללו. בכנות, זה מרגש שנותר כל כך הרבה מהמסתורין הזה להבין."

מלבד המסה והגיל הבלתי מוסברים שלהם, אם חלק מהאור אכן מגיע מחורים שחורים סופר מסיביים, אז הם גם לא חורים שחורים סופר מסיביים רגילים. הם מייצרים הרבה יותר פוטונים אולטרה סגולים מהצפוי, ולאובייקטים דומים שנחקרו עם מכשירים אחרים אין את החתימות האופייניות של חורים שחורים סופר מסיביים, כמו אבק חם ופליטת קרני רנטגן בהירה. אבל אולי הדבר המפתיע ביותר, אמרו החוקרים, הוא עד כמה הם נראים מסיביים.

"בדרך כלל חורים שחורים סופר-מאסיביים מזווגים עם גלקסיות", אמר ליאה. "הם גדלים יחד ועוברים את כל חוויות החיים הגדולות שלהם ביחד. אבל כאן, יש לנו חור שחור בוגר שנוצר במלואו שחי בתוך מה שאמור להיות גלקסיית תינוק. זה לא ממש הגיוני, כי הדברים האלה צריכים לצמוח ביחד, או לפחות זה מה שחשבנו”.

החוקרים היו גם מבולבלים מהגדלים הקטנים להפליא של המערכות הללו, רק כמה מאות שנות אור בקוטר, בערך פי 1,000 קטן יותר משביל החלב שלנו. מספר הכוכבים הוא בערך כמו בגלקסיית שביל החלב שלנו – עם איפשהו בין 10 מיליארד לטריליון כוכבים – אבל הם מכילים בנפח קטן פי 1,000 משביל החלב.

ליה הסביר שאם תיקחו את שביל החלב ותדחסו אותו לגודל הגלקסיות שהם מצאו, הכוכב הקרוב ביותר יהיה כמעט במערכת השמש שלנו. החור השחור העל-מאסיבי במרכז שביל החלב, במרחק של כ-26,000 שנות אור, יהיה במרחק של כ-26 שנות אור בלבד מכדור הארץ וייראה בשמים כעמוד אור ענק.

"הגלקסיות המוקדמות האלה יהיו כל כך צפופות בכוכבים – כוכבים שוודאי נוצרו בצורה שמעולם לא ראינו, בתנאים שלעולם לא היינו מצפים לתקופה שבה לעולם לא היינו מצפים לראות אותם", אמרה ליאה. "מכל סיבה שהיא, היקום הפסיק ליצור עצמים כאלה לאחר כמה מיליארדי שנים בלבד. הם ייחודיים ליקום המוקדם".

החוקרים מקווים לעקוב אחר תצפיות נוספות, שלדבריהם עשויות לעזור להסביר כמה מהתעלומות של האובייקטים. הם מתכננים לקחת ספקטרום עמוק יותר על ידי הפניית הטלסקופ לעבר העצמים לפרקי זמן ממושכים, מה שיעזור להפריד את הפליטה מכוכבים ומהחור השחור הסופר-מסיבי הפוטנציאלי על ידי זיהוי חתימות הקליטה הספציפיות שיהיו נוכחות בכל אחד מהם.

"יש דרך אחרת שנוכל לקבל פריצת דרך, וזה בדיוק הרעיון הנכון", אמרה ליאה. "יש לנו את כל חלקי הפאזל האלה והם מתאימים רק אם נתעלם מהעובדה שחלק מהם נשברים. הבעיה הזו ניתנת למכת גאונות שחמקה מאיתנו עד כה, כל משתפי הפעולה שלנו וכל הקהילה המדעית".

וואנג ולג'ה קיבלו מימון מתוכנית המשקיפים הכלליים של נאס"א. המחקר נתמך גם על ידי המכון הבינלאומי למדעי החלל בברן. העבודה מבוססת בחלקה על תצפיות שנעשו עם טלסקופ החלל של נאס"א/ESA/CSA ג'יימס ווב. חישובים למחקר בוצעו במחשב העל Roar של המכון למדעי החישוב והנתונים של פן סטייט.

מחברים נוספים במאמר הם אנה דה גראף מ- Max-Planck-Institut für Astronomie בגרמניה; גבריאל ברמר ממרכז השחר הקוסמי ומכון נילס בוהר; אנדריאה וייבל ופסקל אוש מאוניברסיטת ז'נבה; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum ו-Rohan Naidu of אוניברסיטת ייל; איבו לאבה מאוניברסיטת סטנפורד; ג'וריט מת'י וג'ני גרין מ אוניברסיטת פרינסטון; איאן מקונאצ'י ורייצ'ל בזנסון מאוניברסיטת פיטסבורג; ג'וזפין באגן מאוניברסיטת טקסס A&M; קתרין סואס מ- Observatoire de Sauverny בשוויץ; דיוויד סטון מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס לקבלי לחקר אסטרופיזיקה וחלל; אריקה נלסון מאוניברסיטת קולורדו; כריסטינה וויליאמס מהמעבדה הלאומית למחקר אסטרונומיה אופטית-אינפרא אדום של הקרן הלאומית למדע בארה"ב ואוניברסיטת אריזונה.

ניקולס