کهکشانهای «بیش از حد پرجرم» جیمز وب ممکن است حتی پرجرمتر باشند!!

این تصویر از خوشه کهکشانی SMACS 0723 و محیط اطراف آن، اولین تصویری بود که از تلسکوپ فضایی جیمز وب در ژوئیه 2023 منتشر شد. پنج بزرگنمایی هر کدام تقریباً 19000 سال نوری وسعت دارند و کهکشانهایی را نشان می‌دهند که حدود 13 بیلیون سال پیش در زمان دیده شده‌اند. تجزیه و تحلیل دقیق این کهکشانها نشان می‌دهد که اگر نتوانیم یک کهکشان را شناسایی کنیم، ممکن است جرم کل ستاره‌های آن را به شدت دست کم بگیریم. اعتبار: NASA، ESA، CSA، STScI / Giménez-Arteaga و همکاران. (2023)، پیتر لورسن (مرکز طلوع کیهانی)

اولین نتایج تلسکوپ فضایی جیمز وب به کهکشان‌هایی آنقدر پرجرم اشاره کرده است که با درک ما از شکل‌گیری ساختار در جهان در تنش هستند. توضیحات مختلفی ارائه شده است که ممکن است این تنش را کاهش دهد. اما اکنون یک مطالعه جدید از مرکز سحر کیهانی اثری را نشان می‌دهد که قبلاً در چنین دوره‌های اولیه مطالعه نشده بود و نشان می‌دهد که کهکشان‌ها ممکن است حتی پرجرم‌تر باشند.

اگر اولین نتایج تلسکوپ فضایی جیمز وب را دنبال کرده باشید، احتمالاً در مورد موضوع مهم رصدهای کهکشانهای اولیه شنیده‌اید: آنها خیلی بزرگ هستند.

از چند روز پس از انتشار اولین تصاویر، و به طور مکرر در ماههای آینده، گزارشهای جدیدی از کهکشانهای دورتر ظاهر شد. به طرز نگران‌کننده‌ای، به نظر می‌رسید که چندین کهکشان “بیش از حد پرجرم” باشند.

از مدل تطابق پذیرفته شده فعلی ما از ساختار و تکامل جهان، به اصطلاح مدل ΛCDM، آنها به سادگی نباید زمان تشکیل این همه ستاره را می‌داشتند.

اگرچه ΛCDM جامی مقدس غیرقابل تخریب نیست، دلایل زیادی برای انتظار برای ادعای تغییر پارادایم وجود دارد: دوره‌های اندازه‌گیری شده‌ای که در آن کهکشان‌ها را می‌بینیم می‌تواند دست کم گرفته شود.

توده‌های ستاره‌ای آنها را می‌توان بیش از حد تخمین زد. یا فقط می‌توانستیم خوش شانس باشیم و به نوعی پرجرمترین کهکشانهای آن زمان را کشف کرده باشیم.

یک نگاه نزدیکتر

اما اکنون کلارا گیمنز آرتیئگا دانشجوی Ph.D مرکز سحر کیهانی، اثری را پیشنهاد می‌کند که می‌تواند تنش را بیشتر کند.

در اصل، جرم ستاره‌ای یک کهکشان با اندازه‌گیری مقدار نور ساطع شده از کهکشان و محاسبه تعداد ستاره‌ها برای گسیل این مقدار تخمین زده می‌شود. روش معمول در نظر گرفتن نور ترکیبی از کل کهکشان است.

با این حال، با نگاهی دقیق‌تر به نمونه‌ای از پنج کهکشان که توسط جیمز وب مشاهده شد، گیمینز آرتیاگا دریافت که اگر کهکشان نه به عنوان یک لکه بزرگ از ستاره‌ها، بلکه به عنوان موجودی ساخته شده از توده‌های متعدد در نظر گرفته شود، تصویر متفاوتی ظاهر می‌شود.

گیمنز آرتیئگا می‌گوید: «ما از روش استاندارد برای محاسبه جرم ستاره‌ها، اما بر اساس پیکسل به پیکسل به جای نگاه کردن به کل کهکشان از روی تصاویری که جیمز وب گرفته است، استفاده کردیم».

“در اصل، ممکن است انتظار داشته باشیم که نتایج یکسان باشد: اضافه کردن نور از همه پیکسلها و یافتن جرم کل ستاره، در مقابل محاسبه جرم هر پیکسل و اضافه کردن تمام جرمهای ستاره‌ای منفرد. اما اینطور نیست.”

در واقع جرم ستاره ای استنباط شده اکنون ده برابر بزرگتر شده است.

شکل زیر پنج کهکشان را با جرم ستاره‌ای نشان می‌دهد که از هر دو طرف تعیین شده است. اگر این دو رویکرد متفاوت موافق باشند، همه کهکشانها در امتداد خط مایل به نام “همان” قرار می‌گیرند. اما همه آنها بالای این خط قرار دارند.

پنج کهکشان در نموداری قرار گرفته‌اند که هم جرم ستاره‌ای استنباط‌شده به روش «معمول» (اعداد آبی) و هم روش پیکسل به پیکسل کلارا گیمنز آرتیئگا (اعداد قرمز) را نشان می‌دهد. در همه موارد، توده هایی بزرگتر هستند که با استفاده از روش پیکسل به پیکسل پیدا می شوند. اعتبار: Giménez-Arteaga و همکاران. (2023)، پیتر لورسن (مرکز طلوع کیهانی)

پس دلیل این که توده‌های ستاره‌ای بسیار بزرگتر شده‌اند چیست؟

گیمنز آرتیئگا توضیح می‌دهد: “جمعیت‌های ستاره‌ای ترکیبی از ستارگان کوچک و کم‌نور از یک سو و ستارگان درخشان و پرجرم از سوی دیگر هستند. اگر فقط به نور ترکیبی نگاه کنیم، ستارگان درخشان به طور کامل از ستاره‌های کم‌نور بیشتر می‌تابند. تجزیه و تحلیل ما نشان می‌دهد که توده‌های درخشان و ستاره ساز ممکن است بر کل نور غالب باشند، اما بخش عمده جرم در ستارگان کوچکتر یافت می‌شود.

جرم ستاره‌ای یکی از ویژگی‌های اصلی است که برای توصیف یک کهکشان مورد استفاده قرار می‌گیرد و نتیجه گیمنز آرتیئگا اهمیت توانایی تفکیک کهکشان‌ها را برجسته می‌کند.

اما برای دورترین و کم‌رنگ‌ترین اعضا، این همیشه ممکن نیست. این تأثیر قبلاً مورد مطالعه قرار گرفته است (اما فقط در دوره های بسیار بعدی در تاریخ جهان).

بنابراین گام بعدی این است که به دنبال نشانه‌هایی بگردیم که به وضوح بالا نیاز نداشته باشند و با جرم ستاره‌ای “واقعی” مرتبط باشند.

کلارا گیمنز آرتیئگا نتیجه می‌گیرد:

“مطالعات دیگر در دوره‌های بسیار بعدی نیز این اختلاف را پیدا کرده اند. اگر بتوانیم مشخص ‌کنیم که این اثر در دوره‌های قبلی چقدر رایج و شدید است و آن را کمی‌سازی کنیم، به استنباط توده‌های ستاره‌ای قوی از کهکشانهای دور نزدیکتر خواهیم بود، که یکی از چالش‌های اصلی کنونی مطالعه کهکشان‌ها در کیهان اولیه،”

مدل ΛCDM

“ΛCDM” – تلفظ شده “Lambda-CDM” – نامی است که به بهترین مدلی داده شده است که ما برای توصیف ساختار و تکامل جهان خود داریم. این مدل بر اساس یکی از آزمایش‌شده‌ترین تئوری‌های فیزیک، نظریه نسبیت عام است که چگونگی تأثیر ماده بر فضا و چگونگی تأثیر فضا بر ماده را توصیف می‌کند.

در این مدل، جهان اساساً متشکل از یک ماده ناشناخته به نام انرژی تاریک است که با حرف یونانی Λ و ماده تاریک سرد (CDM) مشخص می‌شود که در آن «سرد» به این معنی است که خیلی سریع به اطراف حرکت نمی‌کند.

ΛCDM در توصیف و پیش‌بینی پدیده‌های متعدد بسیار موفق بوده است. اما ما هنوز نمی‌دانیم ماده و انرژی تاریک چیست و می‌دانیم که نسبیت عام، علی رغم موفقیتش، یک نظریه کامل نیست. بنابراین ما انتظار داریم ΛCDM در نهایت گسترش یابد یا با یک نظریه بهتر جایگزین شود.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

James Webb’s ‘too massive’ galaxies may be even more massive

by Niels Bohr Institute MAY 17, 2023

https://phys.org/news/2023-05-james-webb-massive-galaxies.html