تلسکوپ جیمز وب اختروش ها را در جایی که نباید وجود داشته باشند پیدا می کند

ستاره شناسان استفاده کرده اند تلسکوپ فضایی جیمز وب برای کشف اختروش های منفرد باستانی با منشأ کم نور. به نظر می رسد که آنها همسایه های کیهانی کمی دارند، و این سؤالاتی را در مورد چگونگی ظهور آنها برای اولین بار در بیش از 13 میلیارد سال پیش ایجاد می کند.

الف اختروش یک منطقه فوق‌العاده درخشان در مرکز یک کهکشان پرجرم است سیاه چاله. همانطور که این سیاهچاله گاز و غبار را از محیط اطراف خود استخراج می کند، مقدار زیادی انرژی آزاد می کند و اختروش ها را به برخی از درخشان ترین اجرام در جهان تبدیل می کند. کوازارها از چند صد میلیون سال پیش کشف شده اند انفجار بزرگاین سؤال را مطرح می کند که چگونه آنها می توانند در چنین زمان کوتاه کیهانی اینقدر عظیم و درخشان شوند.

دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که اولین اختروش‌ها در مناطقی از ماده اولیه بسیار متراکم شکل گرفته‌اند، که احتمالاً باعث ایجاد کهکشان‌های کوچک‌تر در اطراف نیز شده‌اند. با این حال، یک مطالعه اخیر به رهبری موسسه فناوری ماساچوست نشان داد که برخی از این اختروش های باستانی به نظر می رسد در انزوا وجود داشته باشند، بدون محیط های کهکشانی متراکم مورد انتظار در کیهان اولیه.

رصد با تلسکوپ فضایی جیمز وب

ستاره شناسان استفاده کردند ناساتلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای بررسی محیط فضایی پنج اختروش باستانی شناخته شده در زمان بیش از 13 میلیارد سال بررسی می کند. آنها تنوع شگفت انگیزی در محله های خود یا “زمین های اختروش” پیدا کردند. در حالی که برخی از اختروش ها در میدان های بسیار شلوغ با بیش از 50 کهکشان همسایه قرار دارند، همانطور که همه مدل ها پیش بینی می کنند، به نظر می رسد اختروش های باقی مانده در حفره ها حرکت می کنند و تنها چند کهکشان سرگردان در نزدیکی خود قرار دارند.

این اختروش‌های انفرادی درک فیزیکدانان را از این که چگونه چنین اجرام نورانی می‌توانستند در اوایل کیهان شکل گرفته باشند، به چالش می‌کشند، بدون اینکه منبع قابل‌توجهی از مواد اطراف برای رشد سیاه‌چاله‌های آن‌ها وجود داشته باشد.

جداسازی کوازارهای باستانی

«برخلاف تصور قبلی، به طور متوسط ​​متوجه می‌شویم که این اختروش‌ها لزوماً در این مناطق با بالاترین چگالی جهان اولیه نیستند. آنا کریستینا ایلرز، استادیار فیزیک در دانشگاه می گوید: برخی از آنها به نظر می رسد در وسط ناکجاآباد نشسته اند. MIT. توضیح اینکه چگونه این اختروش ها می توانستند تا این حد بزرگ شوند، اگر به نظر می رسید چیزی برای تغذیه ندارند، دشوار است.

این احتمال وجود دارد که این اختروش ها آنقدر که به نظر می رسند تنها نباشند، اما در عوض توسط کهکشان هایی احاطه شده اند که به شدت توسط غبار پوشانده شده اند و بنابراین از دید پنهان هستند. ایلرز و همکارانش امیدوارند مشاهدات خود را تنظیم کنند تا سعی کنند از میان چنین غبار کیهانی ببینند تا بفهمند که چگونه اختروش‌ها در کیهان اولیه چقدر بزرگ و سریع شدند.

ایلرز و همکارانش یافته‌های خود را در مقاله‌ای که در 17 اکتبر منتشر شد، گزارش کردند مجله اخترفیزیک. همکاران MIT شامل روهان نایدو و مینگهائو یوه هستند. رابرت سیمکو، فرانسیس فریدمن، پروفسور فیزیک و مدیر موسسه کاولی برای اخترفیزیک و تحقیقات فضایی MIT. و همکاران موسساتی از جمله دانشگاه لیدن، UC سانتا باربارا، ETH زوریخ و دیگران.

اکتشافات در اعماق فضا

پنج اختروش تازه مشاهده شده از قدیمی ترین اختروش هایی هستند که تاکنون مشاهده شده اند. این اجرام با بیش از 13 میلیارد سال قدمت، بین 600 تا 700 میلیون سال پس از انفجار بزرگ شکل گرفته اند. سیاهچاله‌های پرجرم که اختروش‌ها را نیرو می‌دهند، یک میلیارد بار جرم‌تر از خورشید و بیش از یک تریلیون بار درخشان‌تر هستند. به لطف درخشندگی خارق‌العاده‌شان، نور هر اختروش می‌تواند در عصر کیهان بپیماید، به اندازه‌ای که امروزه به آشکارسازهای بسیار حساس JWST برسد.

ایلرز می‌گوید: «این بسیار خارق‌العاده است که ما اکنون تلسکوپی داریم که می‌تواند نور 13 میلیارد سال پیش را با چنین جزئیاتی ثبت کند. “برای اولین بار، JWST به ما اجازه داد تا به محیط این اختروش ها نگاه کنیم، جایی که آنها بزرگ شدند و محله آنها چگونه بود.”

تغییرات محیطی در بین اختروش ها

این تیم تصاویر پنج اختروش باستانی گرفته شده توسط JWST را بین آگوست 2022 تا ژوئن 2023 تجزیه و تحلیل کرد. مشاهدات هر اختروش شامل چندین تصویر “موزاییک” یا نماهای جزئی از میدان اختروش بود که تیم به طور موثر آنها را برای ایجاد یک تصویر کامل به هم پیوند زد. از محیط اطراف هر کوازار.

این تلسکوپ همچنین اندازه‌گیری نور را در طول موج‌های چندگانه در میدان هر اختروش انجام داد، که تیم سپس آن‌ها را پردازش کرد تا مشخص کند آیا جسمی در میدان نوری از کهکشان همسایه است و اینکه کهکشان چقدر از اختروش مرکزی بسیار درخشان‌تر فاصله دارد.

ایلرز می گوید: «ما دریافتیم که تنها تفاوت بین این پنج اختروش این است که محیط آنها بسیار متفاوت به نظر می رسد. برای مثال، یک اختروش تقریباً 50 کهکشان در اطراف خود دارد، در حالی که دیگری فقط دو کهکشان دارد. هر دو اختروش در یک اندازه، حجم، روشنایی و زمان جهان هستند. دیدن این واقعا تعجب آور بود.

به چالش کشیدن مدل استاندارد

اختلاف در میدان های اختروش یک پیچ خوردگی در تصویر استاندارد رشد سیاهچاله ها و تشکیل کهکشان ها ایجاد می کند. بر اساس بهترین درک فیزیکدانان از چگونگی پیدایش اولین اجرام در جهان، یک شبکه کیهانی از ماده تاریک باید مسیر را تعیین کرده باشد. ماده تاریک یک شکل هنوز ناشناخته از ماده است که هیچ برهمکنشی با محیط اطراف خود جز از طریق گرانش ندارد.

اندکی پس از انفجار بزرگ، تصور می شود که جهان اولیه رشته هایی از ماده تاریک را تشکیل داده است که به عنوان نوعی مسیر گرانشی عمل می کند و گاز و غبار را در امتداد شاخک های خود می کشد. در نواحی بسیار متراکم این شبکه، ماده برای تشکیل اجسام پرجرم انباشته می شود. و درخشان‌ترین و پرجرم‌ترین اجرام اولیه، مانند اختروش‌ها، در نواحی پر چگالی شبکه تشکیل می‌شوند که همچنین کهکشان‌های کوچک‌تری را ساطع می‌کنند.

الیا پیزاتی، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی فارغ التحصیل در دانشگاه لیدن، می گوید: شبکه کیهانی ماده تاریک یک پیش بینی قوی از مدل کیهانی ما از جهان است و می توان با استفاده از شبیه سازی های عددی آن را با جزئیات توصیف کرد. با مقایسه مشاهدات خود با این شبیه سازی ها، می توانیم تعیین کنیم که اختروش ها در کجای شبکه کیهانی قرار دارند.

دانشمندان تخمین می زنند که اختروش ها برای رسیدن به جرم و درخشندگی شدید در زمانی که اخترشناسان آنها را مشاهده کردند، کمتر از 1 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، باید به طور مداوم با نرخ های برافزایشی بسیار بالا رشد می کردند.

پیامدهای اختروش های جدا شده

سوال اصلی که ما سعی داریم به آن پاسخ دهیم این است که چگونه این سیاهچاله های میلیارد خورشیدی در زمانی که جهان واقعاً جوان است، تشکیل می شوند؟ ایلرز می‌گوید: «این هنوز در مراحل ابتدایی است.

یافته های این تیم ممکن است سوالات بیشتری را نسبت به پاسخ ایجاد کند. به نظر می رسد اختروش های «تنها» در مناطق نسبتاً خالی فضا زندگی می کنند. اگر مدل‌های کیهان‌شناسی فیزیکدانان درست باشد، این مناطق بی‌ثمر به معنای ماده تاریک بسیار کمی است، یا ماده اولیه برای تولید ستاره‌ها و کهکشان‌ها. پس چگونه اختروش های بسیار درخشان و عظیم ظاهر شدند؟

ایلرز می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که بخش مهمی از معمای چگونگی رشد این سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هنوز وجود ندارد». “اگر مواد کافی در اطراف وجود نداشته باشد تا برخی از اختروش ها به طور مداوم رشد کنند، به این معنی است که باید راه دیگری برای رشد آنها وجود داشته باشد که ما هنوز به آن پی نبرده ایم.”

مرجع: “EIGER. VI. تابع همبستگی، جرم هاله میزبان و چرخه وظیفه کوازارهای درخشان در z ≳ 6 اینچ توسط آنا کریستینا ایلرز، رواری مکنزی، الیا پیتزاتی، جوریت متی، جوزف اف. هناوی، هاوون ژانگ، رونگمون بوردولوی، دایچی کاشینو، سایمون جی. لیلی، روهان پی نایدو، رابرت آ. سیمکو، مینگهائو یو، کارلوس اس. فرانک، جان اس. هیلی، متیو شالر و جوپ شای، 17 اکتبر 2024. مجله اخترفیزیک.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad778b

این تحقیق تا حدی توسط شورای تحقیقات اروپا حمایت شد.