Przez długi czas naukowcy uważali, że w bardzo wczesnym wszechświecie należy zaobserwować tylko aktywnie galaktyki tworzące gwiazdy. James Webb Space Telescope ujawnia teraz, że galaktyki przestały tworzyć gwiazdy wcześniej niż oczekiwano. Niedawne odkrycie międzynarodowego zespołu, kierowanego przez astronomów z University of Geneva (Unige), pogłębia napięcie między teoretycznymi modelami ewolucji kosmicznej a faktycznymi obserwacjami. Spośród setek widm uzyskanych w ramach programu Webb Ruby, zespół znalazł rekordową galaktykę, która już przestała tworzyć gwiazdy podczas epoki, w której galaktyki zwykle rosną bardzo szybko. To badanie zostało opublikowane w czasopiśmie astrofizycznym.
We wczesnym wszechświecie typowa galaktyka akretuje gaz z otaczającego medium międzygalaktycznego i zamienia gaz w gwiazdy. Proces ten zwiększa swoją masę, co prowadzi do jeszcze bardziej wydajnej akrecji gazowej i przyspieszonej tworzenia gwiazd. Jednak galaktyki nie rosną w nieskończoność, z powodu procesu astronomowie nazywają się „hartowaniem”.
W lokalnym wszechświecie około połowa obserwowanych galaktyk przestała tworzyć gwiazdy – wygasły i przestały rosnąć. Astronomowie nazywają ich galaktykami spoczynkowymi, hartowanymi lub „czerwonymi i martwymi”. Wyglądają na czerwone, ponieważ nie zawierają już młodych, jasnoniebieskich gwiazd – pozostają tylko starsze, mniejsze czerwone gwiazdy.
Szczególnie wysoka ułamek galaktyk spoczynkowych występuje wśród masywnych galaktyk, które często obserwuje się, że ma eliptyczne morfologie. Zwykle utworzenie takich czerwonych i martwych galaktyk zajmuje dużo czasu, ponieważ muszą najpierw zbudować dużą liczbę gwiazd, zanim proces formacji gwiazdy ostatecznie się wyłączy. Nadal jest to poważna zagadka, co faktycznie powoduje gaszenie w galaktykach. „Znalezienie pierwszych przykładów masywnych galaktyk spoczynkowych (MQG) we wczesnym wszechświecie ma kluczowe znaczenie, ponieważ rzuca światło na ich możliwe mechanizmy formowania”-mówi Pascal Oesch, profesor nadzwyczajny na Wydziale Astronomii w Unige Fautly of Science i współautor papieru. Polowanie na takie systemy było zatem głównym celem astronomów od lat.
Obserwacje sprzeczne z oczekiwaniami teoretycznymi
Dzięki technologii postępującej, szczególnie spektroskopii bliskiej podczerwieni, astronomowie potwierdzili masywne galaktyki spoczynkowe (MQG) w coraz bardziej kosmicznych czasach. Ich wywnioskowana obfitość była trudna do pogodzenia się z teoretycznymi modelami tworzenia galaktyki, które przewidują, że takie systemy powinny potrwać dłużej. W przypadku Space Telescope Jamesa Webba (JWST) napięcie to zostało popchnięte do przesunięcia ku czerwieni 5 (1,2 miliarda lat po Wielkim Wybuchu), gdzie w ostatnich latach potwierdzono kilka MQG. Nowe badanie prowadzone przez Unige ujawnia, że te galaktyki powstały nawet wcześniej i szybciej niż wcześniej sądzono.
W cyklu JWST 2 rubiny programu szerokiego obszaru (czerwone niewiadome: jasne badanie pozagalaktyczne w podczerwieni), jeden z największych europejskich programów badań pozagalaktycznych z wykorzystaniem instrumentu NIRSPEC, uzyskały spektroskopowe obserwacje kilku tysięcy galaktyk, w tym setki nowo odkrytych źródeł JWST.
Posiadacz „Dead” Galaxy
Wśród tych nowych widm naukowcy zidentyfikowali najbardziej odległe do tej pory MQG, z spektroskopowym przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 7,29, zaledwie ~ 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Spektrum NIRSPEC/Prism ujawnia zaskakująco starą gwiezdną populację w tak młodym wszechświecie. Szczegółowe modelowanie danych spektrum i obrazowania pokazuje, że galaktyka utworzyła masę gwiazdową ponad 10 miliardów (10¹⁰) mas słonecznych w ciągu pierwszych 600 milionów lat po Big Bang, zanim szybko zaprzestała tworzenia gwiazdy, potwierdzając w ten sposób jej spoczywającą naturę.
„Odkrycie tej galaktyki, o nazwie Ruby-UDS-QG-Z7, sugeruje, że ogromne galaktyki spoczynkowe w ciągu pierwszych miliardów lat wszechświata są ponad 100 razy bardziej obfite niż przewidywane przez jakikolwiek model”, mówi Andrea Weibel, doktor na Wydziale Astronomii w Unige Caulty i autor. To z kolei sugeruje, że konieczne jest ponowne przywrócenie kluczowych czynników w modelach teoretycznych (np. Skutki wiatrów gwiazdowych i wytrzymałość odpływów napędzanych tworzeniem gwiazdy i masywnych czarnych otworów). Galaktyki zmarły znacznie wcześniej niż te modele.
Wgląd w rdzenie gigantycznych galaktyk
Wreszcie, niewielki fizyczny rozmiar rubins-UDS-QG-Z7, mierzony po zaledwie ~ 650 lat świetlnych, implikuje wysoką gęstość masy gwiezdnej porównywalną z najwyższymi centralnymi gęstościami obserwowanymi w galaktykach spoczynkowych przy nieco niższych przesunięciach kolorystycznych (z ~ 2-5). Te galaktyki prawdopodobnie ewoluują w rdzenie najstarszych i najbardziej masywnych eliptycznych galaktyk w lokalnym wszechświecie. „Odkrycie Ruby-UDS-QG-Z7 dostarcza pierwszych mocnych dowodów na to, że centra niektórych pobliskich masywnych eliptyków mogły już istnieć od pierwszych kilkuset milionów lat wszechświata”, podsumowuje Anna de Graaff, główny badacz programu Rukus, badacz postoktorancki w Instytucie Max Plancka dla astronomii w Heidelberg i Drugie Autorka Papie.