Kada je krajem 2021. godine lansiran Svemirski teleskop James Webb (JWST), očekivali smo zadivljujuće fotografije i značajne znanstvene rezultate. Do sada je ovaj moćni teleskop ispunio naša očekivanja, otkrivajući nam nove informacije o ranom svemiru koje nismo mogli ni zamisliti. Kao piše Universe Today, neka od tih otkrića zahtijevaju prepravljanje astronomskih udžbenika.
Udžbenici se redovito ažuriraju kako nova saznanja prolaze kroz znanstveni proces. Ali rijetko kada nova otkrića stižu brzinom kojom ih JWST isporučuje. Poglavlja o ranom svemiru sada trebaju značajno ažuriranje.
JWST-ovi rezultati na ISSI Breakthrough Workshopu
Na nedavnom Međunarodnom institutu za svemirske znanosti (ISSI) Breakthrough Workshopu 2024. u Bernu, Švicarska, grupa znanstvenika sažela je dosadašnje rezultate teleskopa. Njihov rad detaljno je opisan u novom radu objavljenom na otvorenom serveru arXiv pod naslovom “Prvih milijardu godina prema JWST-u.”
Popis autora je dugačak, a ističu da je još veća grupa međunarodnih znanstvenika igrala ključnu ulogu. Potrebna je međunarodna znanstvena zajednica da iskoristi JWST-ove promatranja i unaprijedi “kolektivno razumijevanje evolucije ranog svemira,” kako pišu autori.
Što su fizička svojstva najranijih galaksija?
Rani svemir i njegove transformacije ključni su za naše razumijevanje svemira danas. Galaksije su bile u povojima, zvijezde su se formirale, a crne rupe su se formirale i postajale sve masivnije. Svemirski teleskop Hubble bio je ograničen na promatranja do crvenog pomaka (z) 11. JWST je pomaknuo tu granicu. Njegova trenutna promatranja visokog crvenog pomaka dosežu z=14,32. Astronomi vjeruju da će JWST na kraju promatrati galaksije na z=20.
Prvih nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska naziva se Kozmička zora. JWST nam je pokazao da su drevne galaksije tijekom Kozmičke zore bile mnogo svjetlije i, stoga, veće nego što smo očekivali. Galaksija koju je teleskop pronašao na z=14,32, nazvana JADES-GS-z14-0, ima nekoliko stotina milijuna masa Sunca.
“Ovo postavlja pitanje: Kako priroda može stvoriti tako sjajnu, masivnu i veliku galaksiju u manje od 300 milijuna godina?” rekli su znanstvenici uključeni u JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) u NASA-inoj objavi.
Pokazalo se i da su ove galaksije bile drugačijeg oblika, sadržavale više prašine nego što se očekivalo te da je kisik bio prisutan. Prisutnost kisika ukazuje na to da su generacije zvijezda već živjele i umrle. “Prisutnost kisika tako rano u životu ove galaksije je iznenađenje i sugerira da su mnoge generacije vrlo masivnih zvijezda već živjele prije nego što smo promatrali galaksiju,” napisali su istraživači. “Sva ova promatranja zajedno nam govore da JADES-GS-z14-0 nije poput tipova galaksija koje su predviđali teoretski modeli i računalne simulacije za vrlo rani svemir,” dodali su.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
Priroda aktivnih galaktičkih jezgara u ranim galaksijama
Aktivne galaktičke jezgre (engl. Active Galactic Nuclei – AGN) su supermasivne crne rupe (engl. Supermassive black holes – SMBHs) koje aktivno akretiraju materijal i emitiraju mlazove i vjetrove.
Kvazari su podvrsta AGN-a koji su izuzetno sjajni i udaljeni, a promatranja kvazara pokazuju da su supermasivne crne rupe bile prisutne u središtima galaksija već 700 milijuna godina nakon Velikog praska. No, njihovo porijeklo bilo je misterij.
Astrofizičari vjeruju da su te rane supermasivne crne rupe nastale iz primordijalnih “sjemenki” crnih rupa, koje su bile ili “lake” ili “teške”. Lake sjemenke imale su oko 10 do 100 masa Sunca i bile su zvjezdani ostaci. Teške sjemenke imale su 10 do 105 masa Sunca i nastale su izravnim kolapsom plinskih oblaka. Sposobnost JWST-a da učinkovito gleda unatrag u vrijeme omogućila je otkrivanje drevne crne rupe na oko z=10,3, koja sadrži između 10^7 i 10^8 masa Sunca. Svemirski teleskop Hubble nije omogućio astronomima mjerenje zvjezdane mase cijelih galaksija na način na koji to čini JWST.
Zahvaljujući snazi JWST-a, astronomi sada znaju da crna rupa na z=10,3 ima približno istu masu kao zvjezdana masa cijele njezine galaksije. To je u oštrom kontrastu s modernim galaksijama, gdje masa crne rupe čini samo oko 0,1% ukupne zvjezdane mase. Postojanje tako masivne crne rupe samo 500 milijuna godina nakon Velikog praska dokaz je da su rane crne rupe nastale iz “teških sjemenki”. Ovo otkriće u skladu je s teoretskim predviđanjima, uklanjajući ranije neizvjesnosti u udžbenicima.
Kada i kako je rani svemir postao ioniziran?
Znamo da je u ranom svemiru vodik postao ioniziran tijekom epohe reionizacije (na engl. Epoch of Reionization – EoR). Svjetlost prvih zvijezda, akretirajućih crnih rupa i galaksija zagrijala je i reionizirala vodikov plin u međugalaktičkom mediju (na engl. Intergalactic Medium – IGM), uklanjajući gustu, vruću, primordijalnu maglu koja je prožimala rani svemir. Mlade zvijezde bile su primarni izvor svjetlosti za reionizaciju. Stvorile su ekspanzivne mjehuriće ioniziranog vodika koji su se međusobno preklapali. Na kraju su se mjehurići proširili dok cijeli svemir nije bio ioniziran.
To je bila kritična faza u razvoju svemira. Omogućila je budućim galaksijama, posebno patuljastim galaksijama, da ohlade svoj plin i formiraju zvijezde. Ali znanstvenici nisu sigurni kako su crne rupe, zvijezde i galaksije pridonijele reionizaciji niti točno vremensko razdoblje u kojem se to dogodilo. “Znamo da se reionizacija vodika dogodila, ali točno kada i kako se dogodila bio je veliki nedostajući dio u našem razumijevanju prvih milijardu godina,” pišu autori novog rada.
Astronomi su znali da je reionizacija završila oko milijardu godina nakon Velikog praska, na crvenom pomaku oko z=5-6. Ali prije JWST-a bilo je teško izmjeriti svojstva UV svjetlosti koja je to uzrokovala. S naprednim spektroskopskim sposobnostima JWST-a, astronomi su suzili parametre reionizacije.
“Pronašli smo spektroskopski potvrđene galaksije do z=13,2, što implicira da je reionizacija možda započela samo nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska,” pišu autori. Rezultati JWST-a također pokazuju da crne rupe u procesu akrecije i njihovi AGN-i vjerojatno nisu pridonijeli više od 25% UV svjetlosti koja je uzrokovala reionizaciju.
Ovi rezultati zahtijevaju prepravljanje poglavlja udžbenika o epohi reionizacije, iako još uvijek postoje pitanja koja nisu riješena. “Još uvijek postoji značajna rasprava o primarnim izvorima reionizacije, posebice o doprinosu slabih galaksija,” pišu autori. Iako je JWST izvanredno moćan, neki udaljeni, slabi objekti su izvan njegovog dosega.
JWST još nije ni na pola svoje misije, a već je transformirao naše razumijevanje prvih milijardu godina svemira. Izgrađen je da odgovori na pitanja oko epohe reionizacije, prvih crnih rupa te prvih galaksija i zvijezda. Još mnogo toga slijedi. Tko zna koji će biti konačni doprinosi ovog teleskopa?
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
