天体物理学者たちは宇宙の夜明けの「不可能な」明るさを説明します

ジェームズウェブ宇宙望遠鏡が撮影した初期の銀河のイメージは、予想外の明るさを示し、私たちの宇宙論的理解に疑問を提起しました。 ノースウェスタン大学のシミュレーションによると、この銀河の輝度は巨大なサイズではなく散発的な星の形成に起因し、現在の宇宙論モデルと一致しています。

質量ではなく強烈な光の閃光が不可能な明るさの謎を解いてくれる。

科学者が見たとき ジェームズウェブ宇宙望遠鏡（JWST）が宇宙初の銀河の最初のイメージを公開すると、彼らは衝撃を受けました。 若い銀河はビッグバンの直後に形成されるには明るすぎる、とても巨大で、とても成熟しているようだった。 それはまるで子供が数年で大人になるのと同じです。

でも驚くべき発見は 一部の物理学者は宇宙論の標準モデルに疑問を投げかけました。裏返すべきかどうか疑問に思います。

銀河の明るさと質量

新しいシミュレーションを使用して ノースウェスタン大学-이 이끄는 천체물리학자 팀은 이제 이 은하들이 결국 그렇게 거대하지 않을 가능성이 높다는 것을 발견했습니다. 銀河の明るさは一般的に質量によって決定されますが、新しい発見は、質量が少ない銀河も不規則で輝く星の形成爆発によって明るく輝く可能性があることを示唆しています。

この発見は、なぜ若い銀河が信じられないほど巨大に見えるのかを説明するだけでなく、宇宙論の標準モデルにも適しています。

今回の研究は去る10月3日付学術誌に掲載された。 天体物理学ジャーナルの手紙。

初期の星爆発銀河の芸術家の概念。 画像は、最近のJWST結果を説明するために、この研究で使用されたFIREシミュレーションデータからレンダリングされました。 星と銀河は光の明るい白い点で表示され、より拡散した暗黒物質とガスは紫と赤で表示されます。 出典：Aaron M. Geller、Northwestern、CIERA + IT-RCDS

今回の研究の上級著者であるノースウェスタン大学のクロード・アンドレ・ポシェ・ギゲル（Claude-André Faucher-Giguère）は「この銀河の発見は予想よりはるかに明るかったので大きな驚きだった」と述べた。 「通常、銀河は大きさのため明るいです。 しかし、これらの銀河は宇宙の夜明けに形成されたので、宇宙の夜明けから十分な時間が経過していませんでした。 ビッグバン。 どうやってこの巨大な銀河がそんなに早く集まったのでしょうか。 私たちのシミュレーションは、銀河が宇宙の夜明けにこれらの明るさを形成するのに何の問題もないことを示しています。

研究をリードしたGuochao Sunは、「核心は短時間でシステムから十分な量の光を再現することです」と付け加えました。 「これは、システムが本当に巨大であるか、大量の光を素早く生成する能力があるために発生する可能性があります。 後者の場合、システムはそれほど巨大である必要はない。 星の形成が爆発的に起こると、光が点滅します。 これが私たちがいくつかの非常に明るい銀河を見る理由です。」

Faucher-Giguèreはノースウェスタン大学物理学と天文学の副教授です。 ワインバーグ芸術科学大学 そして 天体物理学の学際的な探求と研究センター (CIERA). サンはノースウェスタンのCIERA博士後研究者です。

宇宙の夜明けの理解

ビッグバン以来約1億年から10億年まで続いた期間である宇宙の夜明けは、宇宙初の星と銀河の形成で表されます。 JWSTが宇宙に発射される前に、天文学者たちはこの古代の時代についてほとんど知りませんでした。

「JWSTは私たちに宇宙の夜明けに関する多くの知識をもたらしました」とSunは言いました。 「JWST以前は、初期の宇宙に関するほとんどの知識は、ごく少数の情報源からのデータに基づく推測でした。 観測能力が大幅に増加するにつれて、私たちは銀河の物理的な詳細を見ることができます.

高度なシミュレーションと結果

新しい研究では、Sun、Faucher-Giguère、および彼らのチームは、高度なコンピュータシミュレーションを使用して、ビッグバンの直後に銀河がどのように形成されたかをモデル化しました。 シミュレーションにより、JWSTが観察したのと同じくらい明るい宇宙の夜明けの銀河が作成されました。 シミュレーションは以下の一部です。 相対論的環境からのフィードバック （FIRE）プロジェクトは、Faucher-GiguèreがCalifornia Institute of Technologyの協力者と共同設立したプロジェクトです。 プリンストン大学、サンディエゴカリフォルニア大学。 新しい研究には、フラットアイアン研究所の計算天体物理学センター、マサチューセッツ工科大学、カリフォルニア大学デイビスキャンパスの共同研究者が参加しました。

FIREシミュレーションは、天体物理学理論と高度なアルゴリズムを組み合わせて銀河の形成をモデル化します。 このモデルにより、研究者たちは、銀河がどのように形成され、成長し、形が変化するかを調べると同時に、星から返されるエネルギー、質量、運動量、および化学元素を説明できます。

Sun、Faucher-Giguère、そして彼らのチームは、宇宙の夜明けに形成された初期の銀河をモデル化するためにシミュレーションを実行したときに星が爆発的に形成されることを発見しました。 これは「爆発的な星の形成」として知られている概念です。 次の巨大銀河では 天の川、星は一定の速度で形成され、時間の経過とともに星の数は徐々に増加します。 しかし、いわゆる爆発的な星の形成は、星が交互のパターンで形成されるときに起こります。 言い換えれば、一度に多くの星が形成され、数百万年にわたってごく少数の新しい星が形成され、再び多くの星が形成されます。

Faucher-Giguèreは、「爆発的な星の形成は、質量が小さい銀河で特に一般的です」と述べました。 「なぜこれが起こるのかについての詳細は、まだ進行中の研究テーマです。 しかし、私たちが考えるのは、星の爆発が形成され、数百万年後にその星が超新星に爆発するということです。 ガスは追い出され、再び離れて新しい星を形成し、星の形成の周期を導きます。 しかし、銀河が十分に巨大になると、重力ははるかに強くなります。 超新星は、爆発時にシステムからガスを放出するほど強力ではありません。 重力は銀河を一つにまとめて安定した状態にします。

明るい銀河と宇宙モデル

シミュレーションはJWSTが明らかにしたのと同じ量の明るい銀河を生成することもできました。 つまり、シミュレーションによって予測される明るい銀河の数は、観測された明るい銀河の数と一致します。

他の天体物理学者たちは、爆発的な星の形成が宇宙の夜明けに銀河の異常な明るさに責任があるかもしれないという仮説を立てましたが、ノースウェスタンの研究者たちはそれが可能であることを証明するために詳細なコンピュータシミュレーションを使用した最初の人々です。 そして彼らは私たちの標準宇宙モデルと一致しない新しい要素を追加することなくそれを行うことができました。

Faucher-Giguèreは、「銀河のほとんどの光は最も重い星から来ています」と述べました。 「重い星はより速い速度で燃えるので、寿命は短くなります。 彼らは核反応から燃料を急速に消費します。 したがって、銀河の明るさは、銀河全体の質量より過去数百万年の間にどのように多くの星が形成されたかとより直接的な関係があります。

参照：Guochao Sun、Claude-André Faucher-Giguère、Christopher C. Hayward、Xuejian Shen、Andrew Wetzel、およびRachel K. Cochraneの「Bursty Star Formationは、自然に宇宙の夜明けの明るい銀河の豊かさを説明します」、2023年1 3日、 天体物理学ジャーナルの手紙。
DOI：10.3847/2041-8213/acf85a

本研究は以下の支援を受けた。 NASA そして国立科学財団。