James Webb lost het mysterie van Lyman-alfa-emissie in de kosmologie op

Ongetwijfeld had de hele astronomische gemeenschap hoge verwachtingen toen de James Webb Space Telescope (JWST) op 25 december 2021 werd gelanceerd. Hij bereikte het Lagrangepunt L2, zijn bestemming, en daarmee het gebied in de baan van de aarde waar de Planck-satelliet zijn verbazingwekkende missie uitvoerde. studie van fossiele straling, het oudste waarneembare licht in het heelal, dat ons vertelt over zijn leeftijd, kromming, vorm en inhoud. Over donkere materie en energie.

Fossiele straling werd binnen een paar duizend jaar, ongeveer 380.000 jaar na de oerknal, uitgezonden. James Webb doet niet zulke vroege observaties van de geschiedenis van het waarneembare heelal, maar het zou ons in staat kunnen stellen minstens 250 miljoen jaar terug te gaan na de oerknal en op zijn minst de lagen van licht beter te begrijpen. Miljoenen en miljarden jaren, wat al haalbaar was voor Hubble, maar onvolledig.

13,8 miljard jaar lang bleef het universum evolueren. In tegenstelling tot wat onze ogen ons vertellen als we naar de hemel staren, is de vorm ervan verre van statisch. Natuurkundigen hebben observaties van verschillende tijdperken van het universum en voeren simulaties uit waarin ze het universum en zijn evolutie nabootsen. Donkere materie lijkt een belangrijke rol te hebben gespeeld vanaf het begin van het heelal tot aan de vorming van de grote structuren die we vandaag de dag waarnemen. © CEA Onderzoek

Primordiale sterrenstelsels die onzichtbaar zouden moeten zijn in Lyman alfa-emissie

Echter, een artikel gepubliceerd in natuurlijke astronomie, Deze is gratis te vinden op arXiv, Rapporteert waarnemingen van de James Webb Space Telescope die een mysterie oplossen dat kosmologen al een tijdje bezighoudt. Volgens het standaard kosmologische model gebaseerd op donkere materie en donkere energie zouden de verste sterrenstelsels niet zo veel moeten schijnen volgens de zogenaamde Lyman-alfa-emissie van waterstofatomen. Ze zullen zelfs minder schijnen als we ze in oude lichtlagen waarnemen, tot het punt waarop ze minder dan een miljard jaar na de oerknal onzichtbaar worden.

Dit is niet het geval, waarom? Wijst dit op een ander probleem in de standaardkosmologie, zoals het probleem van de waarde van de beroemde constante van Hubble-Lemaitre?

Om de waarheid van de zaak te begrijpen, moeten we teruggaan naar de emissie van fossiele straling. Binnen een paar duizend jaar daalde de temperatuur van het plasma van het universum voldoende, als gevolg van de uitdijing ervan, zodat gedurende deze periode de eerste waterstof- en heliumatomen werden gevormd, waarbij de kernen vrije elektronen invangen en neutrale atomen vormden. Dit is het begin van de beroemde Middeleeuwen Omdat het honderd miljoen jaar zal duren voordat een groot aantal sterren begint te verschijnen.

Reionisatie vond al heel vroeg in de geschiedenis van het universum plaats, waardoor het moeilijk werd om rechtstreeks waar te nemen. Een paar minuten na de oerknal was het heelal nog te heet voor atoomkernen om elektronen op te vangen: het was toen volledig geïoniseerd. Daarna bleef het universum uitdijen en afkoelen totdat de temperatuur laag genoeg werd om elektronen aan kernen te laten binden en de eerste atomen te vormen. Deze ‘recombinatie’, zoals het wordt genoemd, vond ongeveer 380.000 jaar na de oerknal plaats. Dit moment vertegenwoordigt ook een andere belangrijke gebeurtenis in de geschiedenis van het universum: hoewel licht gemakkelijk door elektronen wordt verstrooid wanneer ze vrij zijn, is dit veel minder het geval wanneer ze aan de kern gebonden zijn. Recombinatie markeert dus ook het moment waarop het universum transparant werd en het licht zich daar vrijelijk kon verspreiden. © HFI-plank

Deze sterren zijn erg heet en zenden ultraviolette straling uit, met name Lyman-α-emissie. Alleen was neutraal waterstof ook in die tijd nog steeds wijdverspreid aanwezig, vooral rond jonge sterrenstelsels, en zou het honderden miljoenen jaren duren voordat de straling van sterren in deze jonge sterrenstelsels, en misschien zelfs de eerste superzware zwarte gaten, materie zou accumuleren om te verwarmen. omhoog. Het straalt dienovereenkomstig uit, ioniseert deze neutrale intergalactische waterstof en is tamelijk ondoorzichtig voor Lyman-α-emissie. Het waarneembare heelal zou dus slechts langzaam transparant moeten worden tijdens de zogenaamde reionisatieperiode, waarvan we weten dat deze hoogstens ongeveer een miljard jaar na de oerknal zal eindigen.

“Sterrenstelsels” bestaan ​​uit meerdere botsende sterrenstelsels?

Astrofysici denken dat ze nu de sleutel in handen hebben tot het mysterie van de abnormale helderheid van jonge sterrenstelsels, terwijl reïonisatie nog niet voldoende is. Het komt dus naar ons toe via de James Webb Ruimtetelescoop en zijn NIRCam, een van zijn instrumenten die nabij-infraroodlicht monitoren, en in staat is om licht naar deze frequenties te zien verschuiven voor verre sterrenstelsels.

NIRCam heeft beelden van sterrenstelsels geanalyseerd die laten zien dat het in feite grote sterrenstelsels zijn, maar omringd door nabijgelegen kleinere sterrenstelsels die op elkaar inwerken of zelfs botsen.

Het team achter de publicatie in Natuur astronomie Computersimulaties werden vervolgens gebruikt om de verschijnselen te reproduceren die optreden bij deze sterrenstelsels en, zoals een ESA-persbericht uitlegt, hun leden “ Hij ontdekte dat de snelle accumulatie van stellaire massa als gevolg van het samensmelten van sterrenstelsels leidde tot een sterke waterstofemissie en het ontsnappen van deze straling via lege kanalen met overvloedig neutraal gas vergemakkelijkte. De hoge mate van samensmelting van kleinere, voorheen niet waargenomen sterrenstelsels bood dus een overtuigende oplossing voor het al lang bestaande mysterie van de onverklaarbare vroege emissie van waterstof.

Het team is van plan observaties van sterrenstelsels in verschillende stadia van fusie op te volgen, om hun inzicht in de manier waarop waterstofemissies uit deze evoluerende systemen worden geperst verder te ontwikkelen. Uiteindelijk zal dit hen in staat stellen ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels te verbeteren “.

Het is duidelijker dat nauwe botsingen tussen verschillende dwergstelsels en grote sterrenstelsels die aanvankelijk omringd waren door een halo van neutraal waterstof de ionisatie van deze halo veroorzaakten, waardoor de vorming van een transparante geïoniseerde bel van alfa-emissie uit waterstof uit de waanzin van de vorming van jonge sterren mogelijk werd. sterrenstelsels. Sterrenstelsels.