علماء الفيزياء الفلكية يشرحون السطوع “المستحيل” في الفجر الكوني

ومضات قوية من الضوء، وليس الكتلة، تحل لغز السطوع المستحيل.

عندما زار العلماء تلسكوب جيمس ويب الفضائيلقد صدمت الصور الأولى للمجرات المبكرة في الكون (JWST). تبدو المجرات الشابة مشرقة جدًا وضخمة جدًا وناضجة جدًا بحيث لا يمكن أن تتشكل بعد وقت قصير جدًا من الانفجار الكبير. إنه مثل طفل يكبر ويصبح بالغًا في غضون عامين.

اكتشاف مذهل أيضًا شكك بعض علماء الفيزياء في النموذج القياسي لعلم الكونياتفكرت هل أرفعه أم لا.

سطوع المجرة مقابل. كتلة

باستخدام محاكاة جديدة، أ جامعة نورث وسترناكتشف فريق من علماء الفيزياء الفلكية الآن أن هذه المجرات ليست ضخمة جدًا. على الرغم من أن سطوع المجرة يتم تحديده عادة من خلال كتلتها، إلا أن النتائج الجديدة تشير إلى أن المجرات الأقل ضخامة تتوهج بشكل مشرق من انفجارات غير منتظمة ورائعة من تكوين النجوم.

هذه النتيجة لا تفسر فقط سبب ظهور المجرات الشابة كبيرة بشكل خادع، ولكنها تتناسب أيضًا مع النموذج القياسي لعلم الكونيات.

ونشرت الدراسة في 3 أكتوبر رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

انطباع الفنان عن المجرات المبكرة للانفجار النجمي. تم تقديم الصورة من بيانات محاكاة FIRE المستخدمة في هذا البحث والتي يمكن أن تشرح نتائج JWST الأخيرة. تظهر النجوم والمجرات كنقاط ضوء بيضاء ساطعة، بينما تظهر المزيد من المادة المظلمة والغازات باللونين الأرجواني والأحمر. ائتمان: آرون م. كيلر، الشمال الغربي، CIERA + IT-RCDS

وقال كلود أندريه فوشير جيجير، من جامعة نورثويسترن، وهو مؤلف رئيسي للدراسة: “كان اكتشاف هذه المجرات مفاجأة كبيرة لأنها كانت أكثر سطوعًا بكثير من المتوقع”. “بشكل عام، كلما كانت المجرة أكبر، كلما كانت أكثر سطوعًا. لكن منذ أن تشكلت هذه المجرات عند الفجر الكوني، لم يمر وقت كافٍ .الانفجار العظيم. كيف يمكن لهذه المجرات الضخمة أن تتشكل بهذه السرعة؟ تُظهر عمليات المحاكاة التي أجريناها أن المجرات ليس لديها مشكلة في إنتاج هذا السطوع خلال الفجر الكوني.

وقال جواتشاو صن، الذي قاد الدراسة: “المفتاح هو إعادة إنتاج ما يكفي من الضوء في النظام خلال فترة زمنية قصيرة”. “يمكن أن يحدث ذلك لأن النظام ضخم حقًا أو لأن لديه القدرة على إنتاج المزيد من الضوء بسرعة. وفي الحالة الأخيرة، لا يحتاج النظام إلى أن يكون ضخمًا. إذا حدث تكوين النجوم على شكل رشقات نارية، فإنه ينبعث ومضات من الضوء. ولهذا السبب نرى الكثير من المجرات الساطعة.

فوشر جيجير هو أستاذ مشارك في الفيزياء وعلم الفلك في جامعة نورث وسترن. كلية واينبرغ للآداب والعلوم وعضو مركز الدراسات والأبحاث متعددة التخصصات في الفيزياء الفلكية (سيرا). صن هو زميل ما بعد الدكتوراه في CIERA في جامعة نورث وسترن.

فهم الفجر الكوني

الفجر الكوني هي فترة تدوم حوالي 100 مليون سنة إلى مليار سنة بعد الانفجار الكبير، وتتميز بتكوين النجوم والمجرات الأولى في الكون. قبل إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى الفضاء، كان علماء الفلك يعرفون القليل جدًا عن هذه الفترة القديمة.

وقال صن: “لقد جلب لنا تلسكوب جيمس ويب الفضائي الكثير من المعرفة حول الفجر الكوني”. “قبل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، كانت معظم معرفتنا عن الكون المبكر عبارة عن تكهنات مبنية على بيانات من مصادر قليلة جدًا. ومع الزيادات الهائلة في قوة المراقبة، أصبح بإمكاننا رؤية التفاصيل الفيزيائية حول المجرات واستخدام تلك الأدلة الرصدية القوية لدراسة فيزياء ما كان. يحدث.

المحاكاة والاختراعات المتقدمة

في الدراسة الجديدة، استخدم صن وفوشيه جيكور وفريقهم عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لوضع نموذج لكيفية تشكل المجرات بعد الانفجار الكبير. أنتجت عمليات المحاكاة مجرات فجر كونية كانت مشرقة مثل تلك التي رصدها تلسكوب جيمس ويب الفضائي. المحاكاة هي جزء واحد مفهوم السياقات النسبية (FIRE)، الذي أنشأه فوشر جيجير مع متعاونين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. جامعة برينستون، وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو. تتضمن الدراسة الجديدة متعاونين من مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة كاليفورنيا، ديفيس.

تجمع عمليات محاكاة FIRE بين النظرية الفيزيائية الفلكية والخوارزميات المتقدمة لمحاكاة تكوين المجرات. تساعد هذه النماذج الباحثين على حساب كيفية تشكل المجرات ونموها وتغيير شكلها، مع حساب الطاقة والكتلة والزخم والتركيب الكيميائي للنجوم.

عندما أجرى صن وفوشيه جيجير وفريقهم عمليات محاكاة لنمذجة المجرات المبكرة التي تشكلت في الفجر الكوني، اكتشفوا أن النجوم تتشكل في انفجارات – وهي عملية تسمى “تشكيل النجوم الانفجارية”. في المجرات الضخمة مثل درب التبانةتتشكل النجوم بمعدل ثابت، مع زيادة عدد النجوم تدريجياً مع مرور الوقت. لكن ما يسمى بالتشكل النجمي المتفجر يحدث عندما تتشكل النجوم بنمط متناوب – العديد من النجوم في وقت واحد، وعدد أقل من النجوم الجديدة بعد ملايين السنين، ثم العديد من النجوم مرة أخرى.

وقال فوشير جيكور: “إن تشكل النجوم المتفجرة أكثر شيوعا في المجرات ذات الكتلة المنخفضة”. “تفاصيل سبب حدوث ذلك لا تزال قيد البحث المستمر. لكن ما نعتقده هو أن النجوم تتشكل، ثم بعد بضعة ملايين من السنين، تنفجر تلك النجوم على شكل مستعرات أعظم. يتم إخراج الغاز ويعود ليشكل نجومًا جديدة، التي تحرك دورة تكوين النجوم. لكن المجرات لديها ما يكفي عندما يكون الحجم كبيرًا، يكون لديها جاذبية قوية جدًا. وعندما تنفجر المستعرات الأعظم، فهي ليست قوية بما يكفي لطرد الغاز من النظام. الجاذبية تجمع المجرة معًا وتجمعها إلى حالة مستقرة.

المجرات الساطعة ونموذج للكون

تمكنت عمليات المحاكاة من إنتاج نفس الوفرة من المجرات الساطعة التي كشف عنها تلسكوب جيمس ويب الفضائي. وبعبارة أخرى، فإن عدد المجرات الساطعة التي تنبأت بها عمليات المحاكاة يتطابق مع عدد المجرات الساطعة المرصودة.

بينما يفترض علماء الفيزياء الفلكية الآخرون أن انفجارات تكوين النجوم قد تكون مسؤولة عن السطوع غير المعتاد للمجرات عند الفجر الكوني، يستخدم باحثو نورث وسترن عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لإثبات أن هذا ممكن. لقد تمكنوا من القيام بذلك دون إضافة عوامل جديدة غير مرتبطة بنموذجنا القياسي للكون.

وقال فوشر جيجير: “معظم الضوء في المجرة يأتي من النجوم الأكثر ضخامة”. “نظرًا لأن النجوم الأكثر ضخامة تحترق بمعدل أعلى، فإنها تعيش حياة أقصر. فهي تستخدم الوقود بسرعة أكبر في التفاعلات النووية. لذا فإن لمعان المجرة يرتبط بشكل مباشر بعدد النجوم التي تكونت في الملايين القليلة الماضية من السنين مقارنة إلى كتلة المجرة بأكملها.

ملاحظة: “التشكل النجمي المتفجر يفسر بشكل طبيعي وفرة المجرات الساطعة عند الفجر الكوني” رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/acf85a

دعمت الدراسة ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم.