James Webb giver ny indsigt i galaksernes vækst og deres mørke stof

Igen og igen har rumteleskopet James Webb gennem de seneste par år slået sin egen rekord i at opdage de fjerneste, og dermed tidligste, galakser. Men selvom de første galakser godt nok er et af Webbs primære videnskabelige mål, drog teleskopet oprindeligt afsted med yderligere tre mål:

Som Webb-aficionadoer måske ved, er to af disse mål udforskningen af hhv. exoplaneter og nyfødte stjerner. Men det fjerde handler faktisk også om galakser, nemlig deres udvikling gennem kosmisk tid.

Vokseværk ved tyngdekraft

Galakser dannes og vokser ved, at tyngdekraften overvinder Universets udvidelse og får tilstrækkeligt tætte klumper af gas til at kollapse og danne stjerner. Små galakser smelter sammen til større, og således opbygges langsomt de umådelige strukturer af stjerner, sorte huller, planeter og andre vidundere. En vigtig ingrediens i denne historie af det mystiske mørke stof, som hjælper til med at speede processen op.

Selvom dette generelle narrativ er mere eller mindre universelt accepteret, er der stadig mange uklare detaljer. Men nu har et nyt studie, ledet af forskere ved Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet og DTU Space, bragt os et stort skridt videre i forståelsen af disse Universets byggesten:

Med data fra et af de største James Webb-programmer der er udført, benævnt “COSMOS-Web”, samt understøttende data fra Hubble-teleskopet og flere jordbaserede teleskoper, har astronomerne undersøgt et enkelt, stort område på himlen kendt som “COSMOS-feltet”. Ved at indsamle data fra alle disse teleskoper kunne de betragte mere end en halv million galakser i alle afstande fra os. Fordi lys fra fjernere galakser har rejst i længere tid, betyder dette samtidig, at galakserne er fordelt ikke bare gennem rummet, men også gennem tiden — faktisk ud over det meste af Universets historie, hele vejen tilbage til mindre end 400 millioner år efter Big Bang.

Marko Shuntov, postdoc ved DAWN og leder af studiet, forklarer: “Ved at måle, hvor meget lys galakserne udsender i forskellige bølgelængdeområder, kan vi beregne massen af alle deres stjerner; én af de vigtigste måder at beskrive en galakse på. Selvom vi ikke kan se, hvordan de enkelte galakser vokser, giver dette os et statistisk billede af, hvordan og hvor hurtigt deres stjernemasse øges gennem tiden.”

Konflikt og konsensus

Måske ikke overraskende øger galakser deres stjernemasse gennem hele deres liv. Selvom nogle stjerner brænder ud, overgår fødselsrater deres dødsrater. Men hvordan de gør det afhænger af deres masse, og med de nye resultater kan Shuntov og hans kolleger kvantificere nøjagtigt, hvordan den udvikling foregik.

Når de sammenligner deres resultater med ældre målinger af, hvor effektive galakser er til at danne stjerner, er de interessant nok i modstrid med, hvor mange stjerner galakserne skulle have skabt senere i deres liv. Hvis de gamle resultater er korrekte, burde galakser have endt op med mange flere stjerner, end Shuntov og hans kolleger finder. Årsagen til denne modstrid er uklare, men kunne indikere, at tidligere modeller har brug for at bliver re-kalibreret.

På den anden side er de nye resultater i bemærkelsesværdig overensstemmelse med nyere James Webb-observationer af galakser i det tidlige Univers. Dette bekræfter det efterhånden ret robuste billede af, at galakser blev skabt langt hurtigere end vi troede tidligere, med en uventet overvægt af store, lysstærke galakser kort efter Big Bang.

Galaksernes mørke side

Mens stjerner er en galakses mest prominente kendemærke, er deres langt mest dominerende komponent mørkt stof. Typisk er der ti gange så meget af denne mærkelige ingrediens som “normalt” stof — fordelt i udbredt “halo” omkring selve galaksen — men det varierer meget fra galakse til galakse. At forstå det præcise forhold er en vigtig måde at beskrive galakser på, og ét af af COSMOS-Web-undersøgelsen primære mål er at forbinde det mørke stof til det synlige stof.

Men mørkt stof er, ja, mørkt. Hvordan kan astronomer så se det?

“Det kan vi heller ikke,” fastslår Marko Shuntov. “Men der er ikke desto mindre mange måder at deducere dets eksistens på. I vores studie sammenligner vi vores observationer med detaljerede computersimuleringer, som inkluderer både det vi kan se — stjerner, gas, støv, osv. — og det vi ikke kan se, altså mørkt stof. Denne tilgang lader os udlede ikke bare mængden af mørkt stof i galakser af forskellig størrelse, men også hvordan andelen ændrer sig gennem tiden.”

På denne måde maler astronomerne et interessant billede af galaksernes udvikling:

Selvom galakser vokser sig større gennem tiden, både med hensyn til stjerner og mørkt stof, stiger mængden af de to ingredienser ikke med samme fart. I starten vokser haloerne af mørkt stof hurtigere end den stellare komponent, men efter små to milliarder år begynder stjernedannelsen at indhente det mørke stof.

Præcis hvorfor er stadig et åbent spørgsmål, omend forfatterne spekulerer i at det kan være en konsekvens af, at galakser efterhånden opsamler mindre stof fra deres omgivelser, mens de stadig er i stand til at danne stjerner fra tidligere opsamlet gas.

Heldigvis er udsigterne til snart at forstå den præcise mekanisme lyse:

For det første vil fremtidige spektroskopiske observationer give mere nøjagtige afstande til galakserne. Vigtigere er dog, at Shuntov og hans kolleger er i færd med at udføre en langt større undersøgelse — det såkaldte Cosmic Dawn Survey — med en mangfoldighed af teleskoper, i særdeleshed det nyligt opsendte rumteleskop Euclid.

“I Cosmic Dawn Survey’et undersøger vi et gigantisk felt, næste 40 gange større end COSMOS-Web. Vi har allerede fået det første datasæt, som bliver offentligt tilgængeligt indenfor et par måneder, så vi håber at vi snart bedre vil kunne forstå det fascinerende samspil mellem galakser og deres haloer af mørkt stof,” afslutter Marko Shuntov.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Studiet er netop blevet udgivet i det videnskabelige tidsskrift Astronomy & Astrophysics.