Dette bildet av galaksehopen SMACS 0723 og dens omgivelser var det første bildet som ble utgitt fra James Webb-romteleskopet i juli 2023. De fem zoom-innene er hver omtrent 19 000 lysår på tvers, og viser galakser sett rundt 13 milliarder år tilbake i tid. Nøye analyser av disse galaksene avslører at hvis vi ikke kan løse en galakse, kan vi alvorlig undervurdere den totale massen til stjernene. Kreditt: NASA, ESA, CSA, STScI / Giménez-Arteaga et al. (2023), Peter Laursen (Cosmic Dawn Center)
De første resultatene fra James Webb-romteleskopet har antydet galakser så tidlig og så massive at de er i spenning med vår forståelse av dannelsen av struktur i universet. Det er foreslått ulike forklaringer som kan dempe denne spenningen. Men nå antyder en ny studie fra Cosmic Dawn Center en effekt som aldri før har blitt studert i så tidlige epoker, noe som indikerer at galaksene kan være enda mer massive.
Hvis du har fulgt de første resultatene fra romteleskopet James Webb, har du sannsynligvis hørt om det viktigste problemet med observasjonene av de tidligste galaksene: De er for store.
Fra noen dager etter utgivelsen av de første bildene, og gjentatte ganger gjennom de kommende månedene, dukket det opp nye rapporter om stadig fjernere galakser. Foruroligende nok så flere av galaksene ut til å være «for massive».
Fra vår for tiden aksepterte konkordansmodell av universets struktur og utvikling, den såkalte ΛCDM-modellen, burde de rett og slett ikke hatt tid til å danne så mange stjerner.
Selv om ΛCDM ikke er en hellig uforgjengelig gral, er det mange grunner til å vente med å hevde et paradigmeskifte: De målte epokene der vi ser galaksene kan undervurderes.
Stjernemassene deres kan overvurderes. Eller vi kunne bare ha vært heldige og på en eller annen måte ha oppdaget den mest massive av galaksene på den tiden.
En nærmere titt
Men nå har Clara Giménez Arteaga, Ph.D. student ved Cosmic Dawn Center, foreslår en effekt som kan øke spenningen ytterligere.
I hovedsak estimeres en galakses stjernemasse ved å måle mengden lys som sendes ut av galaksen, og beregne hvor mange stjerner som trengs for å sende ut denne mengden. Den vanlige tilnærmingen er å vurdere det kombinerte lyset fra hele galaksen.
Men ved å se nærmere på et utvalg av fem galakser, observert med James Webb, fant Giménez Arteaga at hvis galaksen ikke betraktes som en stor klump med stjerner, men som en enhet som bygger opp av flere klumper, dukker det opp et annet bilde.
“Vi brukte standardprosedyren for å beregne stjernemasser fra bildene som James Webb har tatt, men på en piksel-for-piksel-basis i stedet for å se på hele galaksen,” sier Giménez Arteaga.
“I prinsippet kan man forvente at resultatene er de samme: Legge til lyset fra alle piksler og finne den totale stjernemassen, versus å beregne massen til hver piksel og legge til alle individuelle stjernemasser. Men det er de ikke.”
Faktisk viste de utledede stjernemassene seg nå å være opptil ti ganger større.
Figuren nedenfor viser de fem galaksene med deres stjernemasser bestemt av begge veier. Hvis de to forskjellige tilnærmingene var enige, ville alle galakser ligge langs den skrå linjen kalt “Det samme.” Men de ligger alle over denne linjen.
De fem galaksene plassert i et diagram som viser både stjernemassen utledet på “vanlig” måte (blå tall) og Clara Giménez-Arteagas piksel-for-piksel-metode (røde tall). I alle tilfeller er massene funnet ved bruk av piksel-for-piksel-metoden større. Kreditt: Giménez-Arteaga et al. (2023), Peter Laursen (Cosmic Dawn Center)
Overstrålet
Så hva er grunnen til at stjernemassene viser seg å være så mye større?
Giménez Arteaga forklarer, “Stjernepopulasjoner er en blanding av små og svake stjerner på den ene siden, og lyse, massive stjerner på den andre siden. Hvis vi bare ser på det kombinerte lyset, vil de lyse stjernene ha en tendens til å fullstendig overstråle de svake stjernene, forlater dem ubemerket. Vår analyse viser at lyse, stjernedannende klumper kan dominere det totale lyset, men hoveddelen av massen finnes i mindre stjerner.”
Stjernemasse er en av hovedegenskapene som brukes til å karakterisere en galakse, og Giménez-Arteagas resultat fremhever viktigheten av å kunne løse galaksene.
Men for de mest fjerne og svake er dette ikke alltid mulig. Effekten har blitt studert før, men først i mye senere epoker i universets historie.
Neste steg er derfor å lete etter signaturer som ikke krever den høye oppløsningen, og som korrelerer med den “ekte” stjernemassen.
“Andre studier fra mye senere epoker har også funnet denne uoverensstemmelsen. Hvis vi kan fastslå hvor vanlig og alvorlig effekten er ved tidligere epoker, og kvantifisere den, vil vi være nærmere å konkludere robuste stjernemasser av fjerne galakser, som er en av de hovedutfordringene med å studere galakser i det tidlige universet,” avslutter Clara Giménez Arteaga.
Studien er nettopp publisert i The Astrophysical Journal.
ΛCDM-modellen
“ΛCDM” – uttales “Lambda-CDM” – er betegnelsen gitt til den beste modellen vi har for å beskrive strukturen og utviklingen av universet vårt. Modellen er basert på en av de mest velprøvde teoriene i fysikk, teorien om generell relativitet, som beskriver hvordan materie påvirker rommet, og hvordan rom påvirker materie.
I denne modellen antas universet først og fremst å bestå av et ukjent stoff kjent som mørk energi, betegnet med den greske bokstaven Λ, og kald mørk materie (CDM), der “kald” betyr at den ikke beveger seg for fort rundt.
ΛCDM har vært ekstremt vellykket i å beskrive og forutsi en rekke fenomener. Men vi vet fortsatt ikke hva mørk materie og energi er, og vi vet at generell relativitetsteori, til tross for suksessen, ikke er en fullstendig teori. Vi forventer derfor at ΛCDM etter hvert vil bli utvidet eller erstattet av en bedre teori.
Mer informasjon:
Clara Giménez-Arteaga et al, Spatial Resolved Properties of Galaxies at 5 < z < 9 i SMACS 0723 JWST ERO Field, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acc5ea
Levert av Niels Bohr Institute
Sitering: James Webbs ‘for massive’ galakser kan være enda mer massive (2023, 17. mai) hentet 17. mai 2023 fra https://phys.org/news/2023-05-james-webb-massive-galaxies.html
Dette dokumentet er underlagt opphavsrett. Bortsett fra enhver rettferdig handel for formålet med private studier eller forskning, kan ingen del reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt for informasjonsformål.