Små galaxer kan ge ny kunskap om det tidiga universum

 

Bild https://ras.ac.uk  A) En mörk materia-karta i vårt närområde i universum. De två stora densiteterna är mörka materia-halos i Vintergatan och Andromedagalaxen. (B) Inzoomat på mörk materiekarta som visar ett litet område av mörk materia 700 miljoner år efter Big Bang. (C-1 och C-2) stjärnor och gas i den simulerade ultrasvaga dvärggalaxen, bildade i centrum av den lilla mörka materie-halon i bild B. De två bilderna visar två olika strålningsnivåer strax efter Big Bang. Den avslöjar hur den ultrasvaga dvärggalaxen ändrar sina egenskaper beroende på vilken strålning den handlar om. Skalan på varje bild är i ljusårsenheter. Credit J Sureda/A Fattahi/S Brown/S Avraham Licenstyp Attribution (CC BY 4.0)

Dvärggalaxer beskrivs ofta som små satelliter till Vintergatan. De bildades i små mörk materia-halos som förutsägs av den standardiserade kosmologimodellen. De svagaste exemplen på sådana system är extrema både i storlek och skörhet, och ligger på gränsen för vår kunskap om galaxbildning och mörk materia.

"I detta arbete presenterade vi en helt ny uppsättning kosmologiska simuleringar med fokus på de svagaste galaxerna i universum, med en aldrig tidigare skådad upplösning. Detta är utan tvekan det största urvalet av sådana galaxer som någonsin simulerats i dessa upplösningar," beskriver docent Dr Azadeh Fattahi vid Oskar Klein Centre (OKC) i Stockholm vilket var den som ledde den nya studien i LYRA-samarbetet  med Durham University och University of Hawaii.

"De minsta galaxerna kallas ultrasvaga dvärggalaxer och är en miljon gånger mindre massiva än Vintergatan eller mindre. På grund av deras lilla storlek har dessa galaxer visat sig vara mycket svåra att modellera och simulera. Den nu nya datorsimuleringssviten representerar ett stort steg framåt och möjliggör en systematisk bild av hur dessa galaxer bildas och utvecklas över tid. En användbar liknelse är följande, för växter och grödor och hur deras odling är känslig för väderförhållandena," beskriver Shaun Brown, som ledde studien medan han arbetade vid OKC och Durham University. (I betydelse av miljö och händelser över tid)

"På samma sätt som skörden från en sommargröda indirekt kan berätta mycket om hur vädret på våren måste ha varit, kan egenskaperna hos svaga dvärggalaxer idag berätta mycket om universums förhållanden eller rymdväder vid en mycket tidigare tidpunkt."

Det som gör resultaten särskilt aktuella är att simuleringarna gör mer än att bara visa på och återge svaga dvärggalaxer utveckling. De antyder även att dessa lokala objekt kan fungera som en sond av universums tidigaste 'klimat' (miljö). Teamet undersökte hur olika antaganden om den tidiga strålningsmiljön påverkar vilka små mörka materia-halon som stjärnor har och kan bildas i.

"I artikeln studerade vi två olika antaganden om egenskaperna hos det tidiga universum när det var mindre än 500 miljoner år gammalt. Syftet var att förstå effekten på egenskaperna hos dessa små galaxer idag när universum är 13 miljarder år gammalt," beskriver Brown.

Brown tillägger "Vi har funnit att dessa små ultrasvaga galaxer är mycket känsliga för dessa förändringar över tid medan mer massiva galaxer, som vår Vintergata inte är så känsliga över tid . För de minsta galaxerna kan tidiga förhållanden avgöra om de blir synliga galaxer eller förblir stjärnlösa mörka materia-halos." (Jag har fritt översatt en del för att förenkla förståelsen av texten och ta bort icke nödvändiga omskrivningar)

"Spännande nog kommer vi inom en snar framtid att ha data från Vera C. Rubin-observatoriet vilket kommer att kunna hitta många fler av dessa ultrasvaga dvärgar omkring Vintergatan," beskriver Dr Fattahi.

Många astronomer hoppas att Rubin kan leverera en nästan komplett antalav Vintergatans satellitgalaxer.

"Vårt arbete tyder på att dessa kommande observationer av det mycket lokala universum kommer att kunna begränsa hur universum såg ut i sin linda, något vi för närvarande inte kan komma åt direkt med andra observationer," beskriver Dr Fattahi.

"Att köra dessa datasimuleringar är utmanande och extremt dyrt både tidsmässigt och beräkningsmässigt. Totalt tog det mer än sex månader att köra alla simuleringar," beskriver Dr Fattahi.

Simuleringen producerar mycket stora mängder data (totalt 300 terabyte). 

Största delen av arbetet utfördes på COSMA8-superdatorn som är designad för simuleringsdriven forskning. Durham Universitys Institute for Computational Cosmology är värd för COSMA 8 på uppdrag av Storbritanniens DiRAC High Performance Computing Facility.

Framåt planerar Dr Fattahis team att använda den nya sviten för att ta itu med frågor som fortfarande är olösta i modern galax- och strukturbildning. Ex var vi kan hitta den allra första generationen stjärnor som bildades i universum? Vad säger egenskaperna hos ultrasvaga dvärggalaxer oss om mörk materians natur? 

Studien  ‘LYRA ultra-faints: The emergence of faint dwarf galaxies in the presence of an early Lyman-Werner background’ by Brown et al. har publicerats och kan läsas här Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Planetbildning i universums första tid.

 

Bild https://webbtelescope.org/ Protoplanetära skivor i NGC 346 (NIRCam-bild)

Känsligheten och upplösningen av Webbteleskopet har nu löst ett mysterium som är mer än två decennier gammalt. År 2003 upptäckte Hubbleteleskopet en massiv planet runt en uråldrig stjärna. Detta förbryllade astronomerna som ansåg att sådana stjärnor i det tidiga universum saknade många av de tyngre grundämnen som ses nödvändiga för att bygga upp planeter. Nuvarande modeller förutspår att skivorna runt den här typen av stjärnor har kort livslängd, så kort att planeter inte kan bli stora eller kanske ens bildas. Men fyndet visar att det var fel slutledning

Astronomerna vände sig  till ett närliggande område av det unga universum – det stjärnbildande området NGC 346. Där upptäckte Hubbleteleskopet tecken på att planetbildande skivor existerade runt stjärnor som var 20 till 30 miljoner år gamla mycket äldre än vad teorierna förutspådde att sådana skivor kunde bestå. 

Hubble-fynden var spännande, men utan ett sätt att få fram spektra kunde forskarna inte vara säkra på att de bevittnade en  ackretionkiva. Nu har forskare med hjälp av Webb bekräftat att det finns ackretionskivor i NGC 346 där planetbildning sker och att dessa skivor är långlivade. Upptäckten bekräftar Hubble-resultatet och det får forskare att ompröva nuvarande modeller för planetbildning.

Studien om fyndet har rubriken Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low* Författare är Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret MeixnerShow full author list Published 2024 December 16 • © 2024. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.

The Astrophysical Journal, Volume 977, Number 2

Citation Guido De Marchi et al 2024 ApJ 977 214

DOI 10.3847/1538-4357/ad7a63 

Fler svarta hål i det tidiga universum än väntat

 

Bild wikipedia av det svarta hålet i galaxen M87, från Event Horizon Telescope.

Det verkar finnas ett oräkneligt antal svarta hål i universum som drar till sig allt som passerar i dess närområde. De tyngsta svarta hålen, som väger miljoner eller miljarder gånger så mycket som vår sol finns i galaxers centrum. Dessa slukar allt som passerar i närheten och flammar då upp som ljusa fyrar i universum. Dessa kallas aktiva galaxkärnor. Men det finns även svarta hål inte drar  in omgivande material hela tiden, utan i perioder och i skurar vilket då får deras ljusstyrka att flimra.

Med hjälp av NASA:s rymdteleskop Hubble har nu ett internationellt forskarlag under ledning av forskare vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet hittat fler svarta hål i det unga universum än vad som tidigare rapporterats. De nya resultaten kan hjälpa forskare att förstå hur supermassiva svarta hål skapas.

För närvarande har forskarna inte en hel bild av hur de första svarta hålen bildades efter bigbang. Det är känt att supermassiva svarta hål  kan väga mer än en miljard solar finns i mitten av flertalet, troligen alla,  galaxer, mindre än en miljard år efter bigbang.

– Många av de här objekten verkar vara mer massiva än vi först trodde de skulle vara så tidigt i tid och rum. Antingen bildades de väldigt massiva från början eller så växte de extremt snabbt, beskriver Alice Young, doktorand vid Stockholms universitet och medförfattare till studien.

Svarta hål spelar en viktig roll i alla galaxers livscykel men det finns stora osäkerheter i förståelsen av hur galaxer utvecklas. För att få en fullständig bild av kopplingen mellan galaxers och svarta håls utveckling  använde forskarna Hubbleteleskopet för att kartlägga hur många svarta hål som finns i en population av ljussvaga galaxer då universum bara var några procent av sin nuvarande ålder.

De första observationerna av kartläggningsområdet fotograferades på nytt av Hubble efter några år. Detta gjorde det möjligt för teamet att mäta variationer i galaxernas ljusstyrka. Dessa variationer är ett tydligt tecken på svarta håls fluktuation. Forskarlaget identifierade fler svarta hål än vad som tidigare hittats med andra metoder.

De nya observationerna tyder på att vissa svarta hål troligen bildades av kollaps av massiva stjärnor under den första miljarden år av kosmisk tid. Dessa typer av stjärnor (bildade av nästan enbart väte och helium) fanns bara vid mycket tidiga tidpunkter i universum eftersom senare generationers stjärnor är förorenade av rester av stjärnor som redan har funnits och kollapsat (och vid dessa supernovor fått betydligt fler metaller).

 Andra alternativ av teori för att bilda svarta hål är kollapsande gasmoln, sammanslagningar av stjärnor i massiva hopar och "ursprungliga" svarta hål som bildades (genom fysiskt spekulativa mekanismer) under de första sekunderna efter big bang. Med denna nya information av hur svarta hål bildas kan mer exakta modeller av hur galaxer bildas konstrueras.

– Bildningsmekanismen för tidiga svarta hål är en viktig del av pusslet av galaxers utveckling, beskriver Matthew Hayes vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet och huvudförfattare till studien. Tillsammans med modeller för hur svarta hål växer kan beräkningar av galaxers utveckling nu placeras på en mer fysikaliskt motiverad grund, med ett exakt schema för hur svarta hål uppstod från kollapsande massiva stjärnor i tidens början.

Studien är publicerad i The Astrophysical Journal Letters.

Kan det vara så att svarta hål kan ha sitt ursprung i ett enda svart hål som fanns innan BigBang? När då gränsen för dess möjliga gravitation (sammanpressning)  och storlek blev kritisk uppstod BigBang. Och flertalet svarta hål uppkom ur det ursprungligt stora. Efter BigBang uppkom då stjärnbildning  till runt dessa av gas som kretsade runt de nu många stora svarta molnen som var en produkt av explosionen av det enorma som fyllt allt i rummet som var nästintill icke existerande i storlek. Ett annat alternativ är strängteorin den bör studeras mer för att lösa kosmos mysterier som verkar omöjliga att lösa med dagens paradigm

Universums tidiga galaxer är ljusstarkare än de teoretiskt borde vara.

 

Med hjälp av James Webb Space Telescope (JWST) har upptäckts att nästan alla universums tidigaste galaxer var fyllda med bländande gasmoln som lyste starkare än de framväxande stjärnorna i molnet. Fenomenet som kan hjälpa till att lösa ett mysterium som hotar nuvarande teori om kosmos.

Galaxer bildades så tidigt som ca 500 miljoner år efter Big Bang, då som oregelbundna mindre stjärnhopar med en ljusstyrka som är svår att förklara: Ljusstyrka av denna storlek borde bara komma kunna komma från massiva galaxer med lika många stjärnor som Vintergatan. Men tidiga galaxer tog form på en bråkdel av den tid en det tog för vår galax att bildas och var lika ljusstarka.

Upptäckten hotar att vända upp och ner på fysikernas förståelse av hur galaxer bildas och  den vanligaste kosmologiska modellen som säger att några miljoner år efter Big Bang (för 13,8 miljarder år sedan) kondenserades energi till materia från vilken de första stjärnorna långsamt bildades.

Men då JWST kom i drift upptäcktes alldeles för många stjärnor i denna tid. Nu har astronomer hittat ett möjligt svar (en ny teori): en stor grupp av 12 miljarder år gamla galaxer, varav nästan 90 procent av dessa var insvepta i ljusstark gas som kan ha antänts av ljuset och hettan från de omgivande stjärnorna vilket utlöste intensiva utbrott av stjärnbildning då gasen svalnade. Den nya forskningsteorin har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal.

Vår artikel bevisar att växelverkan med granngalaxerna är orsaken till den ovanliga ljusstyrkan hos tidiga galaxer, beskriver huvudförfattaren Anshu Gupta, astrofysiker vid Curtin University i Australien, till Live Science. Den explosionsartade stjärnbildning som utlöstes av växelverkan kan också förklara de tidiga galaxernas massiva natur, påtalar han.

Växelverkan mellan stjärnor och gas vilket då kan förklara ljusstyrkan.

Astronomer upptäckte de ljusstarka gasmolnen i data som samlats in som en del av JWST:s Advanced Deep Extragalactic Survey, där tre av teleskopets instrument användes för att samla in infraröda bilder av galaxer för spektral analys.

Jag anser att ovan nya teori om växelverkan  är mycket trovärdig.

En bild från https://www.livescience.com   tagen av James Webb Space Telescope av galaxen MACS0647-JD enbart 400 miljoner år efter Big Bang. (Bildkredit: NASA, ESA, CSA, & STScI, APagan (STScI)/ Alamy Live News via Digitaleye)

Buffaloprogrammet ska ge kunskap om de tidigast bildade galaxerna

Universum är kanske gränslöst.

 Rymdteleskopet Hubbles tränger djupt in i tid och rum. Men täcker ett område en bråkdel av vinkelfrekvensen av storleken på fullmånen där det söker nya rön.

Nu ingår Hubbleteleskopets kapacitet i  BUFFALO programmet ett program där studenter och forskare från University of Buffalo i New York ingår.

Programmet är utformat till att identifiera galaxer i sina tidigaste stadier av sitt bildande vilket innebär mindre än 800 miljoner år efter big bang. 

Detta är en kampanjstudie som fått namnet Ultra-deep Frontier fältet och Legacy observationer (BUFFALO). Hubble ska här  skåda in i enorma galaxhopar vilka tidigare fotograferat av NASA'S Spitzer och Hubblerymdteleskopet under ett program kallas Frontier fältet.

Spännande blir det att få resultat från denna studies resultat. Nya rön kommer säkert om verkligheten därute.

Bild galaxhopen Abell 370 vilken finns 4 miljarder ljusår bort och vilken Hubbleteleskopet sökt kunskap om.