Когда ученые рассмотрели первые изображения самых древних галактик Вселенной, полученные благодаря космическому телескопу JWST, их удивила неожиданная яркость, массивность и зрелость молодых галактик. По-видимому, эти галактики сформировались слишком быстро после Большого взрыва, что казалось бы аномалией, подобной тому, как младенец превращается во взрослого всего за несколько лет. Это необычное открытие даже побудило некоторых физиков ставить под сомнение стандартную модель космологии и задавать вопросы о ее корректности.
С использованием новой моделирования, команда астрофизиков из Северо-Западного университета сумела установить, что эти галактики вероятно не настолько массивные, как сначала казалось. В большинстве случаев яркость галактики связывается с ее массой, но новые исследования показывают, что менее массивные галактики могут быть так же яркими, из-за случайных вспышек звездообразования. Это открытие не только объясняет странную яркость молодых галактик, но также согласуется со стандартной моделью космологии.
Согласно исследованию, опубликованному в Astrophysical Journal Letters, открытие этих древних галактик оказалось сюрпризом, поскольку их яркость значительно превысила ожидания. Как правило, галактика считается яркой из-за ее массы. Однако в данном случае галактики, формировавшиеся в ранний период Вселенной, смогли набрать яркость уже на раннем этапе, сразу после Большого взрыва.
Гочао Сунь, один из руководителей исследования, поясняет:
Важно произвести достаточное количество света в системе за короткий промежуток времени», - пояснил Гочао Сунь, один из руководителей исследования. Это может происходить из-за массивности системы, но также из-за ее способности быстро генерировать свет. В последнем случае система не обязательно должна быть массивной. Если звездообразование происходит внезапно, оно будет излучать вспышки света. Именно это и наблюдается в некоторых очень ярких галактиках.
Фауше-Жигер, старший автор исследования и преподаватель физики и астрономии в Университете Северо-Запада, отметил:
Открытие этих галактик стало большим сюрпризом, поскольку они оказались значительно ярче, чем ожидалось. Обычно галактика считается яркой из-за ее размера. Но поскольку эти галактики формировались в ранние периоды Вселенной, времени на это ушло недостаточно. Как они смогли достичь такой яркости так быстро? Наши моделирования показывают, что галактикам не составило труда быть яркими с самого начала Вселенной.
Период, известный как космический рассвет, который приходится примерно на отметку от 100 миллионов до 1 миллиарда лет после Большого взрыва, связан с появлением первых звезд и галактик во Вселенной. До запуска JWST астрономы мало знали об этом древнем периоде.
В новом исследовании Сань, Фауше-Жигер и их коллеги использовали передовое компьютерное моделирование, чтобы воссоздать процесс формирования галактик сразу после Большого взрыва. Их модели создали галактики рассвета, которые были такими же яркими, как и наблюдаемые с помощью JWST. Этот подход не требовал введения новых элементов, не совместимых со стандартной моделью Вселенной.
Моделирование FIRE (Feedback of Relativistic Environments) объединяет астрофизическую теорию с передовыми алгоритмами для изучения процессов формирования галактик. С его помощью исследователи могут изучать, как галактики растут, меняют форму и развиваются, учитывая энергию, массу, импульс и химические элементы, выделяемые звездами.
Сань, Фауше-Жигер и их команда показали, что формирование звезд в ранних галактиках происходит в виде вспышек, что называется «взрывным звездообразованием». В больших галактиках, как наша Млечный Путь, звезды обычно образуются с равномерной интенсивностью, и их количество постепенно увеличивается со временем. В случае взрывного звездообразования звезды образуются пачками: сначала много звезд, за которыми следует длительный период с низкой активностью образования новых звезд, а затем снова много звезд.
Исследование также продемонстрировало, что моделирование FIRE способно воссоздать количество ярких галактик, соответствующее данным JWST. Таким образом, количество сверхярких галактик, предсказанных моделями, соответствует количеству наблюдаемых светил на космическом рассвете.
Хотя другие астрофизики ранее выдвигали гипотезу о взрывном звездообразовании как объяснении необычной яркости галактик в ранние периоды Вселенной, исследователи из Северо-Западного университета стали первыми, кто представил детальное компьютерное моделирование, подтверждающее эту гипотезу без необходимости внесения изменений в стандартную модель Вселенной.