Odkryto "Czerwone Potwory". Rozmiarami dorównują Drodze Mlecznej

Odkrycie trzech ogromnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie, określanych przez astronomów mianem "Czerwonych Potworów", podważa obecne modele formowania się galaktyk i sugeruje, że formowanie się galaktyk na początku istnienia Wszechświata było znacznie szybsze. Galaktyki te swoimi rozmiarami dorównują Drodze Mlecznej i powstały, jak uważają naukowcy, w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-024-08094-5).

Za odkryciami stoi międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Genewskiego. Uczeni wykorzystali w swoich pracach niebywałe możliwości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który wykorzystuje spektrograf NIRCam/grism do precyzyjnego pomiaru odległości i mas gwiazdowych galaktyk.

Tak duże galaktyki na tak wczesnym etapie historii Wszechświata podważają ustalone modele formowania się galaktyk. Wyniki analiz sugerują, że formowanie się gwiazd we wczesnym Wszechświecie było znacznie bardziej wydajne niż wcześniej sądzono.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zgodnie z dominującym modelem galaktyki stopniowo tworzą się w rozległych sferycznych obszarach tzw. halo ciemnej materii, które przyciągają gazy i pyły i wiążą je grawitacyjnie. W miarę gromadzenia się coraz większej ilości materii barionowej zaczyna ona łączyć się w gwiazdy, wirując wokół gigantycznej czarnej dziury w galaktycznym centrum. Naukowcy uważają, że tylko około 20 proc. tego gazu i pyłu z czasem tworzy gwiazdy wewnątrz galaktyk.

Jednak nowe obserwacje podważają ten pogląd. Dane zebrane przez JWST pokazują masywne galaktyki już we wczesnym Wszechświecie. Być może na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata galaktyki mogły formować się w znacznie szybszym tempie niż późniejsze galaktyki i rosnąc znacznie szybciej, niż kiedyś sądzono.

Niezrównane możliwości JWST pozwoliły astronomom na systematyczne badanie galaktyk w bardzo odległym i wczesnym Wszechświecie, dostarczając wglądu w masywne i przesłonięte pyłem struktury. Analizując galaktyki naukowcy odkryli, że większość z nich pasuje do istniejących modeli. Jednak odkryte trzy zaskakująco masywne galaktyki wydają się tworzyć gwiazdy prawie dwa razy wydajniej niż ich odpowiedniki o mniejszej masie i galaktyki w późniejszych czasach. Ze względu na wysoką zawartość pyłu, która nadaje im czerwoną barwę na obrazach z JWST, nazwano je "Czerwonymi Potworami".

– Kwestia "niemożliwie" masywnych galaktyk istniejących wkrótce po Wielkim Wybuchu dręczy astronomów od czasu pierwszych zdjęć z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba – mówi Ivo Labbé ze Swinburne University of Technology. – To tak, jakby znaleźć dziecko ważące 100 kilogramów – dodaje.

Chociaż galaktyki pojawiają się dość szybko po Wielkim Wybuchu, tempo ich wzrostu uznano za zbyt wolne, aby mogły powstać masywne galaktyki podczas Kosmicznego Świtu, czyli pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Ale JWST pokazał galaktyki we wczesnym Wszechświecie znacznie większe, niż oczekiwano, powodując zdezorientowanie astronomów i kosmologów.

– Odkrycia te zmieniają nasze rozumienie formowania się galaktyk we wczesnym Wszechświecie – mówi dr Mengyuan Xiao z Uniwersytetu Genewskiego, główny autor nowego badania. – Właściwości tych "czerwonych potworów" były trudne do określenia przed JWST, ponieważ są one optycznie niewidoczne z powodu pyłu – dodaje dr David Elbaz z CEA Paris-Saclay.

Ostatnie odkrycia rodzą pytania dotyczące teorii formowania się galaktyk, w szczególności kwestię zbyt wielu, zbyt masywnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Obecne modele mogą wymagać uwzględnienia unikalnych procesów, które pozwoliły pewnym wczesnym, masywnym galaktykom osiągnąć tak wydajne formowanie się gwiazd, a tym samym utworzyć się bardzo szybko i wcześnie. Przyszłe obserwacje za pomocą JWST i Atacama Large Millimeter Array (ALMA) dostarczą dalszych informacji na temat tych ultramasywnych "czerwonych potworów".

– Obecne modele nie wyjaśniają, jak to możliwe, że formowanie się gwiazd jest tak superwydajne, na bardzo wczesnym etapie istnienia Wszechświata – mówi Labbé. – Te wyniki wskazują, że galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogły tworzyć gwiazdy z nieoczekiwaną wydajnością. W miarę jak będziemy badać te galaktyki dokładniej, dostarczą one nowych informacji na temat warunków, które ukształtowały najwcześniejsze epoki Wszechświata. "Czerwone potwory" to dopiero początek nowej ery w naszej eksploracji wczesnego Wszechświata – podsumowuje Xiao.

Źródło: University of Geneva, Swinburne University of Technology, fot. NASA/CSA/ESA, M. Xiao & P. A. Oesch (University of Geneva), G. Brammer (Niels Bohr Institute), Dawn JWST Archive