Astrophysiker erklären die „unmögliche“ Helligkeit bei der kosmischen Morgendämmerung

Intensive Lichtblitze, nicht Masse, lösen das Rätsel der unmöglichen Helligkeit.

Als Wissenschaftler das betrachteten James Webb-WeltraumteleskopDie ersten Bilder der ersten Galaxien des Universums (JWST) waren schockiert. Die jungen Galaxien schienen zu hell, zu massereich und zu reif, als dass sie sich so kurz nach dem Urknall gebildet hätten. Es wäre, als würde ein Säugling innerhalb weniger Jahre zu einem Erwachsenen heranwachsen.

Die überraschende Entdeckung veranlasste einige Physiker sogar dazu, das Standardmodell der Kosmologie in Frage zu stellen und sich zu fragen, ob es auf den Kopf gestellt werden sollte oder nicht.

Galaktische Helligkeit vs. Masse

Mithilfe neuer Simulationen, a Nordwestliche UniversitätEin von Astrophysikern geleitetes Team hat nun herausgefunden, dass diese Galaxien wahrscheinlich doch nicht so massereich sind. Obwohl die Helligkeit einer Galaxie typischerweise durch ihre Masse bestimmt wird, deuten die neuen Erkenntnisse darauf hin, dass weniger massereiche Galaxien aufgrund unregelmäßiger, brillanter Sternentstehungsausbrüche genauso hell leuchten können.

Dieser Befund erklärt nicht nur, warum junge Galaxien täuschend massiv erscheinen, sondern passt auch in das Standardmodell der Kosmologie.

Die Studie wurde am 3. Oktober in der veröffentlicht Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Künstlerische Konzeption früher Sternengalaxien. Das Bild wurde aus FIRE-Simulationsdaten gerendert, die für diese Forschung verwendet wurden und die jüngsten JWST-Ergebnisse erklären können. Sterne und Galaxien werden in den hellen weißen Lichtpunkten dargestellt, während die diffusere dunkle Materie und das Gas in Purpur- und Rottönen dargestellt werden. Bildnachweis: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS

„Die Entdeckung dieser Galaxien war eine große Überraschung, weil sie wesentlich heller waren als erwartet“, sagte Claude-André Faucher-Giguère von Northwestern, der leitende Autor der Studie. „Normalerweise ist eine Galaxie hell, weil sie groß ist. Da sich diese Galaxien jedoch im kosmischen Morgengrauen bildeten, ist seitdem nicht genug Zeit vergangen Urknall. Wie konnten sich diese massereichen Galaxien so schnell zusammenballen? Unsere Simulationen zeigen, dass Galaxien kein Problem damit haben, diese Helligkeit bis zum kosmischen Morgengrauen zu bilden.“

„Der Schlüssel liegt darin, innerhalb kurzer Zeit eine ausreichende Lichtmenge in einem System zu reproduzieren“, fügte Guochao Sun hinzu, der die Studie leitete. „Das kann passieren, weil das System entweder wirklich riesig ist oder weil es in der Lage ist, schnell viel Licht zu erzeugen. Im letzteren Fall muss ein System nicht so massiv sein. Wenn die Sternentstehung in Schüben erfolgt, werden Lichtblitze ausgesendet. Deshalb sehen wir mehrere sehr helle Galaxien.“

Faucher-Giguère ist außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Sun ist CIERA-Postdoktorand bei Northwestern.

Kosmische Morgendämmerung verstehen

Die kosmische Morgendämmerung ist ein Zeitraum, der etwa 100 Millionen Jahre bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall dauerte und durch die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien im Universum gekennzeichnet ist. Bevor das JWST ins All startete, wussten die Astronomen sehr wenig über diese antike Zeitperiode.

„Das JWST hat uns viel Wissen über die kosmische Morgendämmerung gebracht“, sagte Sun. „Vor JWST waren die meisten unserer Kenntnisse über das frühe Universum Spekulationen, die auf Daten aus sehr wenigen Quellen basierten. Mit der enormen Steigerung der Beobachtungsleistung können wir physikalische Details der Galaxien erkennen und diese soliden Beobachtungsbeweise nutzen, um die Physik zu studieren und zu verstehen, was passiert.“

Erweiterte Simulationen und Erkenntnisse

In der neuen Studie verwendeten Sun, Faucher-Giguère und ihr Team fortschrittliche Computersimulationen, um zu modellieren, wie sich Galaxien direkt nach dem Urknall bildeten. Die Simulationen ergaben kosmische Morgengalaxien, die genauso hell waren wie die vom JWST beobachteten. Die Simulationen sind Teil des Feedback of Relativistic Environments (FIRE)-Projekts, das Faucher-Giguère zusammen mit Mitarbeitern des California Institute of Technology gegründet hat. Princeton Universitätund der University of California in San Diego. An der neuen Studie sind Mitarbeiter des Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute, des Massachusetts Institute of Technology und der University of California, Davis beteiligt.

Die FIRE-Simulationen kombinieren astrophysikalische Theorie und fortschrittliche Algorithmen zur Modellierung der Galaxienentstehung. Die Modelle ermöglichen es Forschern zu untersuchen, wie Galaxien entstehen, wachsen und ihre Form ändern, und dabei die von Sternen zurückgegebene Energie, Masse, Impuls und chemische Elemente zu berücksichtigen.

Als Sun, Faucher-Giguère und ihr Team die Simulationen durchführten, um frühe Galaxien zu modellieren, die im kosmischen Morgengrauen entstanden, entdeckten sie, dass sich Sterne in Ausbrüchen bildeten – ein Konzept, das als „Bursty Star Formation“ bekannt ist. In massereichen Galaxien wie der Milchstraße, Sterne entstehen mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, wobei die Anzahl der Sterne im Laufe der Zeit allmählich zunimmt. Aber zur sogenannten stoßartigen Sternentstehung kommt es, wenn Sterne in einem abwechselnden Muster entstehen – viele Sterne auf einmal, gefolgt von Millionen von Jahren mit sehr wenigen neuen Sternen und dann wieder vielen Sternen.

„Börsige Sternentstehung kommt besonders häufig in Galaxien mit geringer Masse vor“, sagte Faucher-Giguère. „Die Einzelheiten, warum dies geschieht, sind noch Gegenstand laufender Forschung. Was aber unserer Meinung nach passiert, ist, dass sich eine Reihe von Sternen bildet und diese Sterne dann ein paar Millionen Jahre später als Supernovae explodieren. Das Gas wird herausgeschleudert und fällt dann wieder hinein, um neue Sterne zu bilden, was den Zyklus der Sternentstehung vorantreibt. Aber wenn Galaxien massereich genug werden, haben sie eine viel stärkere Schwerkraft. Wenn Supernovae explodieren, sind sie nicht stark genug, um Gas aus dem System auszustoßen. Die Schwerkraft hält die Galaxie zusammen und bringt sie in einen stabilen Zustand.“

Helle Galaxien und das Modell des Universums

Die Simulationen waren auch in der Lage, die gleiche Fülle heller Galaxien zu erzeugen, wie das JWST ergab. Mit anderen Worten: Die durch Simulationen vorhergesagte Anzahl heller Galaxien entspricht der Anzahl beobachteter heller Galaxien.

Obwohl andere Astrophysiker die Hypothese aufgestellt haben, dass die stoßartige Sternentstehung für die ungewöhnliche Helligkeit von Galaxien im kosmischen Morgengrauen verantwortlich sein könnte, sind die Northwestern-Forscher die ersten, die mithilfe detaillierter Computersimulationen beweisen, dass dies möglich ist. Und sie konnten dies tun, ohne neue Faktoren hinzuzufügen, die nicht mit unserem Standardmodell des Universums übereinstimmen.

„Das meiste Licht in einer Galaxie kommt von den massereichsten Sternen“, sagte Faucher-Giguère. „Weil massereichere Sterne mit höherer Geschwindigkeit brennen, haben sie eine kürzere Lebensdauer. Sie verbrauchen ihren Brennstoff bei Kernreaktionen schnell. Die Helligkeit einer Galaxie hängt also direkter davon ab, wie viele Sterne sie in den letzten Millionen Jahren gebildet hat, als von der Masse der Galaxie als Ganzes.“

Referenz: „Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn“ von Guochao Sun, Claude-André Faucher-Giguère, Christopher C. Hayward, Xuejian Shen, Andrew Wetzel und Rachel K. Cochrane, 3. Oktober 2023, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/acf85a

Die Studie wurde unterstützt von NASA und die National Science Foundation.