JWST widzi początek kosmicznej sieci

Kosmiczna sieć to wielkoskalowa struktura wszechświata. Gdybyś mógł obserwować, jak nasz wszechświat rozwija się od Wielkiego Wybuchu do dzisiaj, zobaczyłbyś, jak te włókna (i puste przestrzenie między nimi) tworzą się w czasie. Teraz astronomowie korzystający z JWST odkryli dziesięć galaktyk, które tworzą bardzo wczesną wersję tej struktury zaledwie 830 milionów lat po początku wszechświata.

„Kosmiczna sieć” zaczęła się od fluktuacji gęstości we wczesnym wszechświecie. Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu materia (w postaci pierwotnego gazu) skondensowała się w węzły na stykach płyt i włókien gazowych we wczesnej sieci. W tych węzłach i włóknach powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki. Naturalnie, gdy astronomowie cofną się w czasie, będą szukać wczesnych wersji kosmicznej sieci. Technologia JWST pozwoliła im spojrzeć wstecz na niewyraźne, nieprzejrzyste rzeczy, które istniały wkrótce po Wielkim Wybuchu.

10 galaktyk obserwowanych przez zespół tworzy cienkie włókno o średnicy trzech milionów lat świetlnych, utrzymywane razem przez jasny kwazar. Jego wygląd zaskoczył zespół swoją wielkością i miejscem w historii kosmosu. „Jest to jedna z najstarszych włóknistych struktur, jakie ludzie odkryli jako związana z odległym kwazarem” – dodał Vig Wang z University of Arizona w Tucson, główny badacz tego programu.

Usuń wszystkie reklamy z wszechświata już dziś

Dołącz do Patreona za jedyne 3 USD!

Korzystaj do końca życia bez reklam

Aspiruj do zrozumienia wczesnego wszechświata i kosmicznej sieci

Obserwacje JWST są częścią programu monitorowania o nazwie ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halo in the Reionization Era. Wykorzystuje obrazy i widma 25 kwazarów, które istniały w przeszłości, kiedy wszechświat zaczął się rozjaśniać po „ciemnych wiekach”. Chodzi o to, aby zbadać powstawanie najbliższych możliwych galaktyk, a także narodziny pierwszych czarnych dziur. Ponadto zespół ma nadzieję zrozumieć, w jaki sposób wczesny Wszechświat został wzbogacony o cięższe pierwiastki (metale) i jak to wszystko wydarzyło się w erze rejonizacji.

To jest ilustracja artysty pokazująca oś czasu wczesnego wszechświata, przedstawiająca niektóre z głównych okresów. Po lewej pierwszy dzień wszechświata, ponieważ intensywne ciepło uniemożliwiło wiele wydarzeń. CMB jest następnie uwalniane, gdy wszechświat nieco się ochłodzi. Dalej, na żółto, jest wszechświat neutralny, czas przed powstaniem gwiazd. Atomy wodoru w neutralnym wszechświecie powinny emitować fale radiowe, które możemy wykryć na Ziemi. Źródło zdjęcia: ESA — C. Carreau

Cele ASPIRE są ważną częścią zrozumienia pochodzenia i ewolucji wszechświata. „Ostatnie dwie dekady badań kosmologicznych dały nam solidne zrozumienie, w jaki sposób powstała i ewoluowała sieć kosmiczna. Celem ASPIRE jest zrozumienie, w jaki sposób pojawienie się najstarszych masywnych czarnych dziur można włączyć do naszej obecnej historii formowania się struktur kosmologicznych” – wyjaśnia członek zespołu Joseph Henawi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara.

READ NASA ponownie łączy się ze statkiem kosmicznym CAPSTONE - przygotowuje się do manewru korekty kursu

Skoncentruj się na wczesnych czarnych dziurach

Kwazary wabią w czasie i przestrzeni. Są zasilane przez supermasywne czarne dziury, które wraz z potężnymi dżetami wytwarzają niewiarygodne ilości światła i innych emisji. Astronomowie używają ich jako standardowych świec do pomiarów odległości, a także jako sposobu na badanie rozległych obszarów przestrzeni, przez które przechodzi światło.

Artystyczna wizja kwazara. Przynajmniej jeden jest zaangażowany we wczesne wątki w kosmicznej sieci. Źródło: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Co najmniej osiem kwazarów w badaniu ASPIRE ma czarne dziury, które powstały mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Masa tych czarnych dziur waha się od 600 milionów do 2 miliardów mas Słońca. Jest to naprawdę bardzo duże i rodzi wiele pytań o ich szybki wzrost. Aby te supermasywne czarne dziury powstały w tak krótkim czasie, muszą zostać spełnione dwa kryteria. Po pierwsze, musisz zacząć rosnąć z „nasiona” supermasywnej czarnej dziury. Po drugie, nawet jeśli to ziarno zaczęło mieć masę odpowiadającą tysiącowi słońc, to i tak musiało zgromadzić milion razy więcej materii w maksymalnym możliwym tempie przez całe swoje życie” – wyjaśnił Wang.

Aby te czarne dziury rosły tak, jak rosły, potrzebowały dużo paliwa. Ich galaktyki były również bardzo masywne, co może wyjaśniać monstrualne czarne dziury w ich rdzeniach. Te czarne dziury nie tylko zasysały dużo materii, ale ich wypływy wpływały również na formowanie się gwiazd. Silne wiatry z czarnych dziur mogą zapobiegać powstawaniu gwiazd w galaktyce macierzystej. Takie wiatry obserwowano w pobliskim wszechświecie, ale nie obserwowano ich bezpośrednio w erze rejonizacji” – powiedział Yang. „Rozmiar wiatru jest związany ze strukturą kwazara. W obserwacjach Webba widzimy, że takie wiatry istniały we wczesnym wszechświecie”.

Dlaczego wiek?

Często słyszymy o astronomach chcących cofnąć się do epoki rejonizacji. Dlaczego tak zagadkowy cel? Oferuje spojrzenie na czas, w którym powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki. Po Wielkim Wybuchu początkowy wszechświat znajdował się w gorącym, gęstym stanie. Czasami słyszymy, jak nazywa się to zupą z pierwotnego wszechświata. Potem nastąpiła ekspansja i wszystko zaczęło się uspokajać. Umożliwiło to połączenie elektronów i protonów w celu utworzenia pierwszych neutralnych atomów gazu. Pozwoliło to również na rozprzestrzenianie się energii cieplnej z Wielkiego Wybuchu. Astronomowie wykrywają to promieniowanie. Jest przesunięty ku czerwieni w mikrofalowej części widma elektromagnetycznego. Astronomowie nazywają to kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła (CMB).

Pierwsze gwiazdy — Wizualizacja tego, jak wyglądał Wszechświat, gdy przechodził przez ostatnią dużą epokę transformacji: epokę rejonizacji. Źródło: Paul Gill i Simon Mach/Uniwersytet w Melbourne

Ta strona wczesnego Wszechświata miała niewielkie fluktuacje gęstości w rozszerzającej się materii. Tą substancją był obojętny wodór. Nie było jeszcze gwiazd ani galaktyk. Ale w końcu te obszary o dużej gęstości zaczęły się zlepiać pod wpływem grawitacji, powodując, że neutralna materia również zaczęła się zlepiać. Doprowadziło to do dalszego zapadania się obszarów o dużej gęstości, co ostatecznie doprowadziło do narodzin pierwszych gwiazd. Podgrzali otaczający materiał, który wywiercił dziury w strefach neutralnych – przepuszczając światło. Zasadniczo te dziury (lub bąbelki) w neutralnym gazie pozwoliły promieniowaniu jonizującemu podróżować dalej w przestrzeni. Był to początek ery rejonizacji. Miliard lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był całkowicie zjonizowany.

READ Góry starożytnej ziemi powstały z pomocą najmniejszych stworzeń oceanu

Jak więc wyjaśnić wczesne supermasywne czarne dziury?

Co ciekawe, te wczesne galaktyki, które odkrył JWST, wraz z ich kwazarami, były już na swoim miejscu, z supermasywnymi czarnymi dziurami w swoich rdzeniach. Główne pytanie pozostaje: w jaki sposób tak szybko stały się tak duże? Ich obecność może powiedzieć astronomom coś o „dodatkowych gęstościach” we Wszechświecie niemowlęcym. Po pierwsze, „ziarno” czarnej dziury potrzebuje gęstego obszaru pełnego galaktyk, aby mogło się uformować.

Jednak jak dotąd obserwacje przed odkryciem JWST wykazały tylko kilka zwiększonych gęstości galaktyk wokół najstarszych supermasywnych czarnych dziur. Astronomowie muszą przeprowadzić więcej obserwacji w tej erze, aby wyjaśnić, dlaczego. Program ASPIRE powinien pomóc rozwiązać pytania dotyczące sprzężenia zwrotnego między formowaniem się galaktyk a powstawaniem czarnych dziur w tej bardzo wczesnej erze wszechświata. Po drodze powinni również zobaczyć więcej fragmentów wielkoskalowej struktury kosmicznej sieci wszechświata, która nabiera kształtu.