천체 물리학자들은 우주 새벽의 ‘불가능한’ 밝기를 설명합니다

불가능한 밝기 퍼즐을 해결하는 것은 질량이 아니라 강렬한 빛의 섬광입니다.

과학자들이 봤을 때 제임스 웹 우주 망원경우주 최초의 은하에 대한 JWST의 첫 번째 이미지는 그들을 충격에 빠뜨렸습니다. 어린 은하들은 빅뱅 직후에 형성되기에는 너무 밝고, 너무 거대하고, 너무 성숙해 보였습니다. 마치 아기가 2년만 지나면 어른이 되는 것과 같습니다.

심지어 놀라운 발견 이로 인해 일부 물리학자들은 우주론의 표준 모델에 의문을 제기하게 되었습니다.뒤집어야 할지 말아야 할지 궁금합니다.

은하의 밝기 대 질량

새로운 시뮬레이션을 사용하여, 노스웨스턴대학교한 천체물리학자 팀은 이제 이 은하들이 아마도 그다지 거대하지 않을 것이라는 사실을 발견했습니다. 은하의 밝기는 일반적으로 질량에 따라 결정되지만, 새로운 연구 결과에 따르면 덜 질량이 큰 은하도 불규칙하고 빛나는 별 형성 폭발로 인해 밝게 빛날 수 있음이 밝혀졌습니다.

이 발견은 왜 작은 은하가 믿을 수 없을 정도로 작게 보이는지 설명할 뿐만 아니라 우주론의 표준 모델에도 적합합니다.

이 연구는 10월 3일에 발표되었다. 천체 물리학 저널 편지.

아티스트의 초기 별 은하 렌더링. 이미지는 최근 JWST 결과를 설명할 수 있는 본 연구에 사용된 FIRE 시뮬레이션 데이터에서 제공됩니다. 별과 은하계는 밝은 흰색 빛 점으로 나타나는 반면, 암흑 물질과 더 확산된 가스는 보라색과 빨간색으로 나타납니다. 출처: Aaron M. 겔러, 노스웨스턴, CIERA+IT-RCDS

이번 연구의 수석 저자인 노스웨스턴 대학의 클로드-앙드레 푸셰-제귀에(Claude-André Foucher-Géguier)는 “이 은하들의 발견은 예상보다 훨씬 더 밝았기 때문에 큰 놀라움이었다”고 말했습니다. “보통 은하는 크기가 크기 때문에 밝습니다. 하지만 이 은하들은 우주의 새벽에 형성되었기 때문에 그 이후로 충분한 시간이 흐르지 않았습니다.” 엄청난 폭발. 이 거대한 은하들은 어떻게 그렇게 빨리 모일 수 있습니까? 우리의 시뮬레이션은 은하계가 우주의 새벽과 함께 이러한 밝기를 형성하는 데 아무런 문제가 없음을 보여줍니다.

연구를 이끈 Zhao Zhao Sun은 “핵심은 짧은 시간 내에 시스템에서 충분한 양의 빛을 재현하는 것”이라고 덧붙였습니다. “이것은 시스템이 실제로 거대하거나 많은 빛을 빠르게 생성할 수 있는 능력이 있기 때문에 발생할 수 있습니다. 후자의 경우 시스템은 그렇게 거대할 필요가 없습니다. 별 형성이 폭발적으로 발생하면 방출됩니다. 빛이 번쩍인다.” 이것이 바로 우리가 아주 많은 매우 밝은 은하들을 보는 이유입니다.

Faucher Giguere는 노스웨스턴 대학의 물리학 및 천문학 부교수입니다. 와인버그 예술과학대학 그리고 회원 천체물리학 융합탐사연구센터 (걷다). Sun은 Northwestern University의 CIERA 박사후 연구원입니다.

우주의 새벽에 대한 이해

빅뱅 이후 약 1억년부터 10억년까지 지속되는 기간인 우주의 새벽은 우주 최초의 별과 은하가 형성되는 것을 특징으로 합니다. 제임스 웹 우주 망원경이 우주로 발사되기 전에 천문학자들은 이 고대 시대에 대해 거의 아는 바가 없었습니다.

“제임스 웹 우주 망원경은 우리에게 우주의 새벽에 대한 많은 지식을 가져다 주었습니다.”라고 Sun은 말했습니다. “제임스 웹 우주 망원경 이전에는 초기 우주에 대한 대부분의 지식은 극소수 출처의 데이터를 기반으로 한 추측이었습니다. 관측 능력이 크게 증가함에 따라 은하계에 대한 물리적 세부 사항을 볼 수 있고 강력한 관측 증거를 사용하여 물리학을 연구할 수 있습니다. 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하세요.”

고급 시뮬레이션 및 결과

새로운 연구에서 Sun, Foucher-Géger 및 그들의 팀은 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 빅뱅 직후 은하계가 어떻게 형성되었는지 모델링했습니다. 시뮬레이션을 통해 제임스 웹 우주 망원경이 관측한 것만큼 밝은 우주 새벽 은하가 생성되었습니다. 시뮬레이션은 다음의 일부입니다. 상대 환경의 피드백 Faucher-Géger가 Caltech의 협력자들과 공동 창립한 FIRE 프로젝트는 프린스턴 대학교, 샌디에이고 캘리포니아 대학교. 새로운 연구에는 Flatiron Institute의 전산 천체 물리학 센터, MIT, UC Davis의 공동 작업자가 포함되었습니다.

FIRE 시뮬레이션은 천체 물리학 이론과 고급 알고리즘을 결합하여 은하 형성을 모델링합니다. 이러한 모델을 통해 연구자들은 별에서 돌아오는 에너지, 질량, 운동량 및 화학 원소를 고려하여 은하가 어떻게 형성되고, 성장하고, 모양이 변화하는지 탐구할 수 있습니다.

Sun, Fouché-Géger 및 그들의 팀은 우주의 새벽에 형성된 초기 은하를 모델링하기 위해 시뮬레이션을 실행했을 때 별이 폭발로 형성된다는 사실을 발견했습니다. 이는 “폭발성 별 형성”으로 알려진 개념입니다. 다음과 같은 거대 은하에서 은하수별은 일정한 속도로 형성되며, 시간이 지남에 따라 별의 수는 점차 증가합니다. 그러나 소위 폭발적인 별 형성은 별이 교대 패턴으로 형성될 때 발생합니다. 즉, 한 번에 많은 별이 형성되고 수백만 년 동안 극소수의 새로운 별이 형성되고 다시 많은 별이 형성됩니다.

Faucher-Géger는 “폭발성 별 형성은 질량이 작은 은하에서 특히 흔합니다.”라고 말했습니다. “이런 일이 일어나는 이유에 대한 자세한 내용은 여전히 ​​진행 중인 연구 주제입니다. 그러나 우리가 생각하는 것은 별의 폭발이 형성되고, 수백만 년 후에 그 별들이 초신성으로 폭발한다는 것입니다. 가스는 추방된 다음 다시 원래 상태로 돌아옵니다. 새로운 별을 형성하여 별 형성 주기로 이어집니다. 그러나 은하계가 충분히 거대해지면 훨씬 더 강한 중력을 갖게 됩니다. 초신성이 폭발할 때 가스를 시스템 밖으로 밀어낼 만큼 강력하지 않습니다. 중력은 은하계를 하나로 묶고 은하계에 넣습니다. 안정된 상태.

밝은 은하와 우주 모델

또한 시뮬레이션을 통해 제임스 웹 우주 망원경이 탐지한 것과 동일한 양의 밝은 은하를 생성할 수 있었습니다. 즉, 시뮬레이션에 의해 예측된 밝은 은하의 수는 관찰된 밝은 은하의 수와 일치합니다.

다른 천체 물리학자들은 폭발적인 별 형성이 우주 새벽에 은하계의 비정상적인 밝기에 책임이 있을 수 있다는 가설을 세웠지만, 노스웨스턴 대학의 연구원들은 그것이 가능하다는 것을 증명하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 최초의 사람들입니다. 그들은 우리의 표준 우주 모델에 맞지 않는 새로운 요소를 추가하지 않고도 이를 수행할 수 있었습니다.

Faucher-Géger는 “은하계의 대부분의 빛은 가장 무거운 별에서 나옵니다.”라고 말했습니다. “더 많은 질량의 별은 더 빠른 속도로 연소되기 때문에 수명이 짧습니다. 핵반응에서 연료를 빨리 소모합니다. 따라서 은하의 밝기는 지난 몇 년 동안 형성된 별의 수와 더 직접적인 관련이 있습니다. 은하계 전체의 질량보다 백만 년이 더 길다.”

참고 자료: Juchao Sun, Claude Andre Faucher-Géguier 및 Christopher C.의 “폭발적인 별 형성은 우주 새벽에 밝은 은하의 풍부함을 자연스럽게 설명합니다.” 헤이워드, 슈지안 첸, 앤드루 웨첼, 레이첼 K. Cochrane, 2023년 10월 3일, 여기에서 확인 가능. 천체 물리학 저널 편지.
도이: 10.3847/2041-8213/acf85a

이 연구는 이전에 지원되었습니다. NASA 그리고 국립과학재단.