Ο μακρινός «Milky Way Look-Alike» Προκλήσεις Θεωρίες Σχηματισμού Γαλαξιών

Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο του βαρυτικού φακού, οι αστρονόμοι εξέτασαν έναν εξαιρετικά μακρινό γαλαξία που μοιράζεται πολλά χαρακτηριστικά με τον Γαλαξία. Η ανακάλυψη ενός ήρεμου γαλαξία τόσο νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος θέτει υπό αμφισβήτηση τις θεωρίες μας για το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες.

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι ένας μακρινός νεαρός γαλαξίας που υπήρχε στο πολύ πρώιμο σύμπαν μοιράζεται μερικές εκπληκτικές ομοιότητες με τον γαλαξία μας. Το γεγονός ότι ο νεαρός γαλαξίας που ονομάζεται SPT-S J041839–4751.9 ή SPT0418–47 για συντομία — βρίσκεται 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη ——μοιάζει με τον Γαλαξία και οι γαλαξίες που τον περιβάλλουν παρουσιάζει κάτι σαν πρόβλημα. Οι γαλαξίες που υπήρχαν 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δεν έπρεπε να είναι τόσο ήρεμοι, μη χαοτικοί και καλοσχηματισμένοι.

Έτσι, η ανακάλυψη αυτού θέτει υπό αμφισβήτηση πολλές από τις θεωρίες μας για τη γαλαξιακή εξέλιξη. Στην πραγματικότητα, αυτό το εύρημα ταιριάζει σε μια σειρά πρόσφατων ανακαλύψεων που υποδηλώνουν ότι οι γαλαξίες άρχισαν να σχηματίζονται πολύ νωρίτερα στην ιστορία του Σύμπαντος από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Ενώ η παρατήρηση αυτού του μακρινού γαλαξία δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την εντυπωσιακή τεχνολογία της συστοιχίας Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) της ESO που βρίσκεται στις Άνδεις της Χιλής, εξαρτιόταν επίσης από την εφεύρεση ενός άλλου γαλαξία και ένα εξαιρετικό χαρακτηριστικό του Αϊνστάιν. θεωρία της γενικής σχετικότητας. Η ομάδα ανακατασκεύασε την ακριβή εικόνα του SPT0418–47 από τη δακτυλιοειδή εικόνα που έλαβε η ALMA ως αποτέλεσμα του βαρυτικού φακού από έναν παρεμβαλλόμενο γαλαξία.

«Έχουμε μελετήσει με μεγάλη λεπτομέρεια έναν πολύ μακρινό γαλαξία. Αυτό σημαίνει να πηγαίνουμε πίσω στο χρόνο και βλέπουμε αυτόν τον γαλαξία όταν ήταν πολύ νέος, 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη», λέει ο συν-συγγραφέας του Rizzo, Filippo Fraternali, από το Αστρονομικό Ινστιτούτο Kapteyn, Πανεπιστήμιο του Groningen, Ολλανδία, στους ZME Science αναφερόμενος στο γεγονός ότι το φως από το SPT0418–47 έχει ταξιδέψει 12 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει σε εμάς.

A Distant Milky Way Doppelganger με μερικές βασικές διαφορές

Το SPT0418–47 διαθέτει ένα κεντρικό εξόγκωμα και έναν περιστρεφόμενο δίσκο, δύο χαρακτηριστικά που εμφανίζονται επίσης από τον Γαλαξία και άλλους τοπικούς γαλαξίες. Ωστόσο, του λείπουν οι σπειροειδείς βραχίονες του Γαλαξία μας και είναι επίσης πολύ μικρότερος από τον γαλαξία μας. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι αστρονόμοι εντόπισαν ένα κεντρικό εξόγκωμα  αστέρια σφιχτά συσσωματωμένα γύρω από το γαλαξιακό κέντρο      σε έναν τόσο μακρινό και επομένως πρώιμο γαλαξία.

Ωστόσο, ο Fraternali σημειώνει ότι μόνο και μόνο επειδή το SPT0418–47 μοιάζει με τον Γαλαξία στο στάδιο που το βλέπουμε, αυτό δεν σημαίνει ότι εξελίχθηκε ακριβώς όπως ο γαλαξίας μας. «Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ενώ το SPT0418-47 είναι παρόμοιο με τον Γαλαξία τώρα, δεν σημαίνει ότι πριν από 12 δισεκατομμύρια χρόνια ο Γαλαξίας έμοιαζε με τον SPT0418-47», προσθέτει ο ερευνητής.

Μια άλλη βασική διαφορά μεταξύ των δύο γαλαξιών είναι ότι ο SPT0418–47 σχηματίζει αστέρια πολύ πιο γρήγορα, ασυνήθιστο για έναν περιστρεφόμενο δίσκο. «Το SPT-S J041839–4751.9 ανήκει σε έναν συγκεκριμένο πληθυσμό γαλαξιών που είναι γνωστοί ως σκονισμένοι γαλαξίες που σχηματίζουν αστέρια», λέει η Simona Vegetti, άλλη συν-συγγραφέας στο έγγραφο και ειδικός στον βαρυτικό φακό από το Max Planck Institute for Astrophysics. ZME Science. "Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτοί είναι γαλαξίες που υφίστανται μια σημαντική έκρηξη σχηματισμού αστέρων υψηλής ταχύτητας."

Ο Vegetti συνεχίζει εξηγώντας ότι οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι καθώς γερνούν, γαλαξίες όπως ο SPT0418-47 θα μετατραπούν σε αυτό που αναφέρεται ως γαλαξίες πρώιμου τύπου — έναν γαλαξία που έχει καταναλώσει το μεγαλύτερο μέρος του αερίου του και δεν σχηματίζει πια αστέρια.

«Συγκρίνοντας τις ιδιότητες του SPT-S J041839–4751.9 με αυτές των κοντινών πρώιμων γαλαξιών, μπορούμε να μάθουμε κάτι για τις διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για τη μετατροπή από τον έναν τύπο γαλαξία στον άλλο», λέει. "Είναι λίγο σαν να συγκρίνουμε τις ιδιότητες των νέων και των ηλικιωμένων, μας δίνει κάποιες συμβουλές για τη διαδικασία γήρανσης."

Αλλά η πιο αινιγματική πτυχή του μακρινού γαλαξία είναι το πόσο ήρεμος και τακτοποιημένος φαίνεται. Κάτι που τα σημερινά κοσμολογικά μοντέλα δεν μπορούν να εξηγήσουν.

Νέοι και χαοτικοί;

Τα τρέχοντα κοσμολογικά μας μοντέλα υποδηλώνουν ότι το Σύμπαν στο οποίο κατοικούσε το SPT0418–47, όπως το βλέπουμε, ήταν ένα χαοτικό και ταραγμένο μέρος. Και οι γαλαξίες που βρέθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής αναμένεται να αντανακλούν αυτές τις ιδιότητες, ακόμα κι αν έχουν κάποια δομή, αυτή θα πρέπει να ξεπλυθεί από τις βίαιες συνθήκες γύρω τους.

«Η γενική ιδέα ήταν ότι οι γαλαξίες σε αυτές τις αποστάσεις/χρόνους ήταν εξαιρετικά χαοτικοί και μετά βίας θα μπορούσε κανείς να αναγνωρίσει έναν δίσκο σε σχηματισμό ανάμεσα σε τεράστια νήματα εισερχόμενου αερίου και ισχυρές εκρήξεις λόγω του εξαιρετικά έντονου σχηματισμού αστεριών», λέει ο Fraternali.

Οι γαλαξίες στο πρώιμο σύμπαν αναμένεται να είναι ο τόπος ισχυρών φαινομένων, όπως οι εκρήξεις σουπερνόβα που απελευθερώνουν πολλή ενέργεια, εξηγεί ο Vegetti, προσθέτοντας:«Θα περιμέναμε το SPT-S J041839–4751.9 να είναι πολύ ταραχώδης, ή με άλλα λόγια, περιμένουμε η κίνηση του αερίου σε αυτόν τον γαλαξία να κινείται χαοτικά στους ανέμους και τις εκροές.»

Αλλά οι παρατηρήσεις της ομάδας αποκαλύπτουν μια εντελώς διαφορετική εικόνα. Αυτό που στην πραγματικότητα ανακάλυψαν ήταν ότι η κίνηση του αερίου στο SPT0418–47 στην πραγματικότητα περιστρέφεται γύρω από το κέντρο του γαλαξία αθόρυβα και με καλά διατεταγμένο τρόπο. Όπως σημειώνει ο Vegetti:"Είναι πολύ δύσκολο να εξηγηθεί αυτή η συμπεριφορά στο πλαίσιο των τελευταίων αριθμητικών προσομοιώσεων γαλαξιών τελευταίας τεχνολογίας."

Ένα από τα ερωτήματα του ανθρώπου που παραμένουν για τον Fraternali είναι πόσο κοινά είναι αυτά τα χαρακτηριστικά και η σχετικά «ηρεμία» του SPT0418–47 σε άλλους παλαιότερους γαλαξίες; «Επειδή ο γαλαξίας δεν έχει επιλεγεί από εμάς — ήταν, τυχαία, τέλεια ευθυγραμμισμένος με τον φακό κατά μήκος της οπτικής γραμμής — μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι θα μπορούσε να είναι αντιπροσωπευτικός ενός μεγάλου κλάσματος τεράστιων γαλαξιών εκείνη την εποχή. P>

Έτσι, το να κοιτάξουμε πίσω στο χρόνο για να διεξαγάγουμε περαιτέρω έρευνα για αυτά τα μακρινά αστέρια είναι ζωτικής σημασίας. Όμως, αυτό, όπως μπορείτε να φανταστείτε, δεν είναι εύκολη υπόθεση. Στην πραγματικότητα, η μελέτη του SPT0418–47, όπως υποδεικνύει ο Fraternali, κατέστη δυνατή μόνο με την παρέμβαση ενός άλλου γαλαξία που μπήκε ανάμεσα σε αυτόν και εμάς, και τα αξιοσημείωτα φαινόμενα βαρυτικού φακού που ακολούθησαν.

Γαλαξίες ως φακοί — Η δύναμη του βαρυτικού φακού

Η ακριβής ευθυγράμμιση του SPT0418–47 και ενός ενδιάμεσου γαλαξία σημαίνει ότι εμφανίζεται ως ένας σχεδόν τέλειος δακτύλιος στην ομάδα στο ALMA —μια δομή που αναφέρεται από τους αστρονόμους ως «δακτύλιος του Αϊνστάιν» από τους αστρονόμους λόγω της σύνδεσής του με τη θεωρία των γενικών σχετικότητα — η γεωμετρική θεωρία της βαρύτητας που προτάθηκε από τον Αϊνστάιν στα πρώτα χρόνια του 20ου αιώνα.

Ο βαρυτικός φακός εξαρτάται από το γεγονός ότι τα αντικείμενα με μάζα καμπυλώνουν το ύφασμα του χωροχρόνου γύρω τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο πιο ακραία είναι η καμπυλότητα. Η πιο κοινή αναλογία που χρησιμοποιείται για να περιγράψει αυτό είναι ένα τεντωμένο φύλλο καουτσούκ με αντικείμενα αυξανόμενης μάζας τοποθετημένα πάνω του. Μια μπάλα μπόουλινγκ που δημιουργεί ένα μεγαλύτερο «τρύπωμα» στο σεντόνι από ένα μάρμαρο ή μια μπάλα του τένις.

Αυτό σημαίνει ότι ένα αντικείμενο όπως ένας γαλαξίας με τεράστια μάζα καμπυλώνει το μονοπάτι του φωτός που ταξιδεύει πέρα ​​από αυτό, συχνά αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα αντικείμενο πίσω από τον φακό να φαίνεται να βρίσκεται σε διαφορετική θέση. Σε ακραίες περιπτώσεις, δημιουργώντας ένα «Δαχτυλίδι Αϊνστάιν» που αποτελείται από φως που πήρε διαφορετικές καμπύλες διαδρομές γύρω από τον ενδιάμεσο γαλαξία και έτσι έφτασε στη Γη σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους. Όμως, δεν είναι απλώς ένα όμορφο και περίεργο φαινόμενο της βαρύτητας, είναι επίσης ένα ισχυρό εργαλείο παρατήρησης.

«Επειδή αυτοί οι γαλαξίες είναι πολύ μακριά, είναι δύσκολο να τους μελετήσουμε με μεγάλη λεπτομέρεια χρησιμοποιώντας τα σημερινά τηλεσκόπια, δεν είναι αρκετά ισχυροί», λέει ο Vegetti. "Η ομάδα μας χρησιμοποιεί στη συνέχεια την επίδραση του ισχυρού βαρυτικού φακού για να ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό."

Η διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε από την ομάδα περιλαμβάνει αρχικά την αναζήτηση ενός ζεύγους γαλαξιών που είναι πολύ μακριά ο ένας από τον άλλο αλλά φαίνονται ευθυγραμμισμένοι από το πλεονέκτημά μας εδώ στη Γη. «Ο γαλαξίας που είναι πιο κοντά μας θα συμπεριφέρεται τότε σαν φακός που θα μας παρέχει μια μεγεθυμένη θέα του πιο μακρινού γαλαξία», εξηγεί ο Vegetti. «Είναι σαν να παρατηρείς μέσω ενός πολύ πιο ισχυρού τηλεσκοπίου.

Ο Vegetti εξηγεί ότι η επόμενη γενιά τηλεσκοπίων όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb και το εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο της ESO (ELT) θα πρέπει να επιτρέπουν τη μελέτη των σύγχρονων γαλαξιακών SPT0418–47 με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Αυτό θα επιτρέψει στους ερευνητές να ανακαλύψουν πόσο κοινά είναι αυτά τα χαρακτηριστικά και με τη σειρά του, ενδεχομένως να προκαλέσει μια επανεξέταση του πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν πρώιμοι καλά διατεταγμένοι γαλαξίες στην ιστορία του Σύμπαντος. Επιφυλάσσει επίσης ιδιαίτερο έπαινο για τον κύριο συγγραφέα αυτής της μελέτης.

«Αυτές οι νέες εγκαταστάσεις θα φέρουν αυτό το είδος ανάλυσης στο επόμενο επίπεδο, επιτρέποντάς μας να παρατηρούμε ακόμη νεότερους γαλαξίες με ακόμη μεγαλύτερο επίπεδο λεπτομέρειας», καταλήγει ο Vegetti. «Η Francesca Rizzo πρωτοστατεί σε αυτή τη γραμμή έρευνας. Είναι μια λαμπρή νεαρή επιστήμονας με την οποία μου αρέσει να δουλεύω, οπότε ανυπομονώ για την επόμενη ανακάλυψή μας!»

Πηγή

Ρίζο. F., Vegetti. Σ., Πάουελ. D., Fraternali. F., et al, «Ένας δυναμικά ψυχρός γαλαξίας δίσκου στο πρώιμο Σύμπαν», Φύση, [2020].