17. maj 2023

James Webbs “for tunge” galakser kan være endnu tungere

Det tidlige Univers:

De første resultater fra rumteleskopet James Webb tyder på galakser så tidlige og så tunge, at de strider imod vores forståelse af dannelse af struktur i Universet. Forskellige forklaringer er blevet fremsat for at afhjælpe denne konflikt. Men nu foreslår et nyt studie fra Cosmic Dawn Center en effekt, der aldrig før er blevet undersøgt ved så tidlige epoker, som indikerer at galakserne faktisk kan være endnu tungere.

Galaksehoben SMACS 0723 — Dette billede af galaksehoben SMACS 0723 og dens omgivelser var det første billede, der blev frigivet fra rumteleskopet James Webb i juli 2023. De fem zoom-ins er hver omkring 19.000 lysår på tværs og viser galakser set omkring 13 milliarder år tilbage i tiden. Omhyggelig analyse af disse galakser afslører, at hvis vi ikke kan opløse en galakse i tilstrækkelig detaljegrad, kan vi undervurdere den samlede masse af dens stjerner temmelig meget. Billedkredit: NASA, ESA, CSA, STScI / Giménez-Arteaga et al. (2023), Peter Laursen (Cosmic Dawn Center).

Hvis du har fulgt med i de første resultater fra rumteleskopet James Webb, har du sikkert hørt om det altoverskyggende problem med observationerne af de tidligste galakser:

De er for store

Fra et par dage efter frigivelsen af de første billeder, og kontinuerligt gennem de kommende måneder, dukkede den ene rapport efter den anden op om stadig fjernerne galakser. Foruroligende nok virkede flere af galakserne til at være “for tunge.”

Ud fra vores alment accepterede model af Universets struktur og udvikling, den såkaldte ΛCDM-model, burde de simpelthen ikke have haft tid til at danne så mange stjerner.

Selvom ΛCDM ikke er en hellig, skudsikker gral, er der mange grunde til at vente med at påstå et paradigmeskift: Den epoke vi ser galakserne i kunne være under-estimeret. Deres stjernemasser kunne være over-estimeret.

Eller vi kan bare have været heldige og på en eller anden måde have fundet de største af galakserne på den tid.

Et nærmere kig

Men nu foreslår Clara Giménez Arteaga, Ph.D.-studerende ved Cosmic Dawn Center, en effekt som kan øge spændingen mellem teori og observationer:

Massen af en galakses stjerner estimeres i princippet ved at måle, hvor meget lys den udsender, og derefter beregne, hvor mange stjerner der skal til for at udsende dette lys. Den normale tilgang er at betragte lyset fra hele galaksen på én gang.

Men ved at kigge nærmere på et udvalg af fem galakser, observeret med James Webb, fandt Giménez-Arteaga at hvis galaksen betragtes ikke som én klump stjerner, men som en enhed bygget op af flere klumper, opstår et andet billede.

“Vi brugte standard-proceduren til at beregne stjernemasser ud fra billederne som James Webb har taget, men på en pixel-for-pixel basis i stedet for at kigge på hele galaksen,” beskriver Giménez-Arteaga.

“I princippet kunne man forvente, at resultatet ville være det samme: At lægge lyset fra alle pixels sammen og finde den totale stjernemasse, versus at beregne massen af hver enkelt pixel og lægge alle de individuelle masser sammen. Men det er de ikke.”

Faktisk viste de udledte stjernemasser sig nu at være op til ti gange større.

Billedet nedenfor viser de fem galakser med deres stjernemasser bestemt på begge måder. Hvis de to tilgange stemte overens, ville alle galakserne ligge langs den skrå, grå linje der hedder “Det samme.” Men de ligger alle over denne linje.

Små stjerner overstråles af de store

ΛCDM-modellen

“ΛCDM” — udtalt “Lambda-CDM” — er betegnelsen for den bedste model vi har til at beskrive vores Univers’ struktur og udvikling. Modellen er baseret på en af de mest gennemtestede teorier i fysik, den almene relativitetsteori, som beskriver hvordan stof påvirker rummet, og hvordan rummet påvirker stoffet.

I denne model antages Universet at bestå primært af en ukendt substans kendt som mørk energi, betegnet med det græske bogstav Λ, og koldt, mørkt stof (CDM), hvor “koldt” betyder at det ikke bevæger sig så hurtigt omkring.

ΛCDM har været ekstremt succesfuld i at beskrive og forudsige et utal af fænomener. Men vi ved stadig ikke, hvad mørkt stof og energi er, og vi ved, at almen relativitetsteori, trods sin succes, ikke er en komplet teori. Vi forventer derfor, at ΛCDM i sidste ende vil blive udvidet eller erstattet af en bedre teori.

Så hvad er grunden til, at stjernemasserne ender med at være så meget større?

Giménez Arteaga forklarer: “Stjerne-populationer er et mix af små og lyssvage stjerner, og store lysstærke stjerner. Hvis vi kun kigger på det kombinerede lys, vil de klare stjerner overstråle de svage og efterlade dem ubemærket.

Vores analyse viser, at lysstærke, kraftigt stjernedannende klumper ganske vist kan dominere det totale lys, men at størstedelen af massen findes i de mindre stjerner.”

Stjernemasse er en af de vigtigste egenskaber til at karakterisere en galakse, og Giménez-Arteagas resultat viser, hvor vigtigt det er at kunne opløse en galakse i fine nok detaljer.

Men for de fjerneste og mest lyssvage er det ikke altid muligt. Effekten har været studeret før, men kun ved langt senere epoker i Universets historie.

Derfor er næste skridt at kigge efter signaturer, som ikke kræver den høje opløsning, og som korrelerer med den “sande” stjernemasse.

“Andre studier af galakser ved meget senere epoker har også fundet denne uoverensstemmelse. Hvis vi kan finde ud af, hvor almindelig og hvor alvorlig effekten er ved tidligere epoker, og hvis vi kan kvantificere den, så vil vi lettere kunne udlede robuste stjernemasser af fjerne galakser, hvilket er en af de største udfordringer ved at studere galakser i det tidlige Univers,” konkluderer Clara Giménez Arteaga.

Studiet er netop blevet publiceret i det videnskabelige tidsskrift The Astrophysical Journal.