Tieteilijät ovat pitkään uskoneet, että vain aktiivisesti tähtien muodostumiseen osallistuvia galakseja tulisi havaita nuoresta universumista. James Webb -avaruusteleskooppi paljastaa tänään, että jotkut galaksit ovat lopettaneet tähtien muodostamisen aikaisemmin kuin odotettiin.
Kolme spektriä JWST/NIRSpec-instrumentista. Ennätysten galaksi on esitetty keskellä.
© NASA/CSA/ESA, A. Weibel, P. A. Oesch (Geneven yliopisto), RUBIES-tiimi: A. de Graaff (MPIA Heidelberg), G. Brammer (Niels Bohr -instituutti), DAWN JWST -arkisto
© NASA/CSA/ESA, A. Weibel, P. A. Oesch (Geneven yliopisto), RUBIES-tiimi: A. de Graaff (MPIA Heidelberg), G. Brammer (Niels Bohr -instituutti), DAWN JWST -arkisto
Äskettäin Geneven yliopiston (UNIGE) johtama kansainvälinen tiimi on tehnyt löydön, joka korostaa jännitettä kosmisen evoluution teoreettisten mallien ja havaintojen välillä. Webb RUBIES -ohjelman avulla saatujen satojen spektrien joukosta tiimi on tunnistanut ennätyksellisen galaksin, joka oli jo lopettanut tähtien muodostamisen aikana, jolloin niiden normaalisti odotettaisiin olevan aktiivisessa kasvuvaiheessa. Tämä tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -lehdessä.
Varhaisessa universumissa noin puolet havaituista galakseista on lopettanut tähtien muodostamisen: ne ovat "sammuneita" eivätkä enää kasva. Astronomit kutsuvat niitä "hiljaisiksi", "quenched" tai "punaisiksi ja kuolleiksi" galakseiksi. Ne näyttävät punaisilta, koska niissä ei enää ole nuoria ja kirkkaita sinisiä tähtiä — vain vanhempia ja pienempiä tähtiä, joiden väri on punertava, on jäljellä.
Jotkut keskeiset tekijät teoreettisissa malleissa on arvioitava uudelleen.
Merkittävä osa hiljaisista galakseista löytyy massiivisten galaksien joukosta, joita havaitaan usein ellipsimäisinä. Näiden punaisten ja kuolleiden galaksien muodostuminen vie normaalisti paljon aikaa, koska niiden on ensin kerättävä suuri määrä tähtiä ennen kuin tähtien muodostumisprosessi lopettaa kokonaan. Quenchingin tarkka syy on edelleen arvoitus.
"Varhaisten esimerkkien löytäminen massiivisista hiljaisista galakseista (MQG) varhaisessa universumissa on olennaista, sillä se valaisee niiden mahdollisia muodostumismekanismeja", selittää Pascal Oesch, Geneven yliopiston (UNIGE) tähtitieteen osaston apulaisprofessori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. Näiden järjestelmien etsiminen on ollut astronomien tärkeä tavoite jo vuosia.
Havainnot, jotka haastavat mallit
Teknologisten edistysaskelten ansiosta, erityisesti lähi-infrapunaspektroskopian avulla, astronomit ovat vähitellen pystyneet tunnistamaan massiivisia hiljaisia galakseja (MQG) yhä aikaisemmista kosmisista aikakausista. Niiden runsaat määrät haastavat teoreettiset mallit, jotka ennustivat pidempää muodostumisaikaa.
James Webb -teleskoopin (JWST) myötä tämä ristiriita teorian ja havaintojen välillä on voimistunut, sillä useita MQG:itä on vahvistettu punasiirtymässä 5, eli 1,2 miljardia vuotta Big Bangin jälkeen — suhteellisen lyhyt ajanjakso astronomisessa mittakaavassa. Nyt UNIGE:n johtama uusi tutkimus paljastaa, että ne ovat muodostuneet vielä aikaisemmin ja nopeammin.
JWST:n toisen kierroksen aikana RUBIES (The Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey) -laajakenttäohjelma, yksi suurimmista eurooppalaisista ohjelmista, joka on omistettu ekstragalaktiselle tutkimukselle NIRSpec-instrumentilla, on saanut spektrihavaintoja useista tuhansista galakseista, mukaan lukien satoja uusia lähteitä, jotka on löydetty JWST:n ensimmäisten kuvien avulla.
Kaikkein kaukaisin "sammunut" galaksi
Näiden uusien spektrien joukossa tutkijat ovat tunnistaneet kaikkein kaukaisimmaksi havaittavan massiivisen hiljaisen galaksin (MQG), jonka spektrinen punasiirtymä on 7,29, eli noin 700 miljoonaa vuotta Big Bangin jälkeen. NIRSpec/PRISM:llä saatu spektri paljastaa hämmästyttävän vanhan tähtipopulaation vielä nuorekkaassa universumissa.
Yksityiskohtainen spektrin ja kuvadataan perustuva mallinnus osoittaa, että tämä galaksi on muodostanut yli 10 miljardia (10¹⁰) aurinkomassaa tähtimassaa Big Bangin jälkeisten 600 miljoonan vuoden aikana, ennen kuin se lopetti äkillisesti tähtien muodostamisen, vahvistaen näin sen hiljaista tilaa.
"Tämän galaksin, nimeltään RUBIES-UDS-QG-z7, löytäminen tarkoittaa, että massiiviset hiljaiset galaksit varhaisen universumin ensimmäisen miljardin vuoden aikana ovat yli 100 kertaa runsaampia kuin nykyiset mallit ennustavat", selittää Andrea Weibel, Geneven yliopiston (UNIGE) tähtitieteen osaston tohtoriopiskelija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. Tämä viittaa siihen, että jotkin teoreettisten mallien keskeiset tekijät — kuten tähtituulten vaikutukset tai tähtien muodostumisen ja massiivisten mustien aukkojen aiheuttamien ainevirtojen intensiivisyys — on arvioitava uudelleen.
Uudet näkökulmat galaksien ytimeen
Lopuksi RUBIES-UDS-QG-z7:n koko on vain noin 650 valovuotta, mikä tarkoittaa korkeaa tähtitiheyttä, joka on verrattavissa korkeimpiin mitattuihin keskitiheyksiin hiljaisissa galakseissa hieman alhaisemmilla punasiirtymillä. Nämä galaksit ovat todennäköisesti kehittymässä vanhimpien ja massiivisimpien ellipsimaisten galaksien ytimiksi, joita havaitaan paikallisessa universumissa.
"RUBIES-UDS-QG-z7:n löytäminen tarjoaa ensimmäisen vahvan todisteen siitä, että joidenkin massiivisten lähellä olevien ellipsimaisten galaksien keskukset saattavat olla jo olemassa universumin ensimmäisten satojen miljoonien vuosien aikana", päättää Anna de Graaff, Max Planck -instituutin tähtitieteen tutkija Heidelbergissä, RUBIES-ohjelman alullepanija ja artikkelin toinen kirjoittaja.
Tämä tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -lehdessä.
DOI: 10.3847/1538-4357/adab7a