¿Son las galaxias distantes observadas por James Webb demasiado luminosas para la cosmología estándar?

Utilizando el telescopio Hubble y con la ayuda de lentes gravitacionales, los cosmólogos pudieron explorar el estado del universo observable unos 500 millones de años después del Big Bang. Según James Webb, el límite posible debería rondar los 150 millones de años, lo que permite explorar el llamado período de reionización que nos lleva desde la Edad Media hasta el amanecer cósmico y del que aún no sabemos con claridad cuándo comenzó exactamente. , ni cuando terminó. En términos generales, debido a que existen diferencias, todavía coincidimos a menudo en que ocurrió entre 130 millones de años y 950 millones de años después del Big Bang.

Recuerde, unos 380.000 años después del Big Bang, en unos pocos miles de años, la temperatura del universo se enfrió lo suficiente como para que se formaran átomos neutros, liberando la famosa radiación fósil. La reionización es el momento en el que se forman las primeras estrellas y los primeros quásares hasta el punto de que, a través de la radiación que emiten, estos átomos comienzan a ionizarse nuevamente.

Nos gustaría entender qué sucede durante este período en el que el colapso de la materia oscura acelera el colapso de la materia conocida para formar las primeras galaxias lo suficientemente cercanas entre sí como para verse sometidas repetidamente a fuerzas de marea y colisiones.

El modelo cosmológico estándar durante una década básicamente había hecho crecer las galaxias y los agujeros negros gigantes que albergan y que podrían convertirse en quásares dirigiendo a través de Filamentos de corrientes de materia oscura bariónica fría caen sobre las galaxias en el proceso de formación y evolución.

Durante 13.800 millones de años, el universo siguió evolucionando. Al contrario de lo que nos dicen nuestros ojos cuando miramos al cielo, sus formas están lejos de ser estáticas. Los físicos realizan observaciones de diferentes épocas del universo y realizan simulaciones en las que recrean el universo y su evolución. La materia oscura parece haber desempeñado un papel importante desde el inicio del universo hasta la formación de las grandes estructuras que observamos hoy. © Investigación CEA

Una simulación que combina materia oscura y estrellas en explosión

Para comprender todos estos fenómenos es necesario realizar simulaciones numéricas. Se ha vuelto más poderoso y refinado a lo largo de los años hasta el punto de tener en cuenta no sólo la dinámica de la materia oscura, el componente con diferencia dominante de la materia en el universo observable, sino también la retroalimentación de la dinámica de la materia ordinaria con las supernovas. Explosiones y evolución química de galaxias resultantes de la nucleosíntesis estelar que afectan la formación de nuevas estrellas (ver vídeo a continuación).

Estos modelos deben mejorarse aún más, pero hace más de una década tendían a decir que cuando James Webb estaba corriendo, debería ver galaxias pequeñas, pocas e irregulares menos de 500 millones de años después del Big Bang.

Esto no es lo que notamos en absoluto.

Asimismo, a principios del verano de 2022, se produjeron declaraciones de la famosa astrofísica y cosmóloga estadounidense Stacy McGough, en su cuenta de Twitter. Este último es conocido por su trabajo basado en la teoría de Mond, que es la abreviatura de Dinámica newtoniana modificada En inglés, estudia galaxias, materia oscura y teorías de gravedad modificada como alternativas a la existencia de materia oscura.

Stacey McGough explicó que si se confirma que el JST vio muchas galaxias grandes en los inicios de la historia del universo observable, puede constituir una prueba que refute el modelo estándar de cosmología basado en la existencia de partículas de materia oscura, y por otro lado constituir una validación. de la teoría de Mound.

Sin embargo, en el artículo que dedicamos a las declaraciones de McGough, inicialmente también hicimos preguntas sobre este tema a Françoise Combs y Romain Tessier, lo que nos animó a ser cautelosos. Luego entrevistamos a uno de los astrónomos que busca observar las primeras galaxias con James Webb, Johan Richard, del Centro de Investigaciones Astrofísicas de Lyon.

En este vídeo de 2016, Phil Hopkins, profesor asociado de astrofísica teórica en Caltech, y Andrew Wetzel, científico investigador de Carnegie-Caltech, utilizan supercomputadoras para crear la simulación más detallada y realista jamás creada de la formación de galaxias. Los resultados resuelven un misterio de décadas sobre las galaxias enanas alrededor de nuestra Vía Láctea. Andrew Wetzel es parte del equipo que se cree que replicó de manera similar los hallazgos de James Webb en el proyecto. Comentarios de entornos relativos (FIRE), cofundada por Faucher Giguere. Para obtener una traducción al francés bastante precisa, haga clic en el rectángulo blanco en la parte inferior derecha. La traducción al inglés debería aparecer a continuación. Luego haga clic en la tuerca a la derecha del rectángulo, luego en «Traducciones» y finalmente en «Traducir automáticamente». Seleccione «francés». © Instituto de Tecnología de California

El estallido de formación de nuevas estrellas es más fuerte de lo imaginado

En este contexto, entendemos la importancia del artículo publicado hoy en Cartas de revistas astrofísicas Por un equipo de astrofísicos liderado por la Universidad Northwestern (EE.UU.). En el comunicado de prensa de la universidad que acompaña a esta publicación, el astrofísico dijo Claude André Foucher Giguere de la Universidad Northwestern, autor principal del estudio, dice: “ El descubrimiento de estas galaxias fue una gran sorpresa porque eran mucho más brillantes de lo esperado. En general, una galaxia es brillante porque es grande. Pero debido a que estas galaxias se formaron en el amanecer cósmico, no ha pasado mucho tiempo desde el Big Bang. ¿Cómo es posible que galaxias tan masivas se agrupen tan rápidamente? Nuestras simulaciones muestran que las galaxias no tienen problemas para crear esta luminosidad en el amanecer cósmico. «.

Las nuevas simulaciones ya indican que las problemáticas galaxias distantes de James Webb son más pequeñas de lo que podríamos imaginar en función de su luminosidad, por lo que su masa es menor y consistente con el tamaño promedio de las galaxias predicho por modelos anteriores.

Una mejor consideración de los procesos de formación estelar por parte de algoritmos da como resultado estallidos muy intensos de nuevas estrellas separadas por fases de reposo. Estas explosiones son más violentas y producen más estrellas que las que hemos conocido antes, y el resultado es que las galaxias pequeñas al comienzo de la reionización pueden parecer tan luminosas como las galaxias grandes, lo que nos lleva ingenuamente a creer en un crecimiento galáctico más rápido.

Al final, los investigadores parecen reproducir las observaciones de James Webb y estar de acuerdo con el modelo cosmológico estándar. Si este es realmente el caso, no tenemos más motivos para dudar de este modelo, ni para dar más crédito a la teoría de Mond.

Se realizaron nuevas simulaciones como parte del proyecto. Comentarios de entornos relativos (FIRE), cofundada por Faucher-Giguère con colaboradores de Instituto de Tecnología de CaliforniaUniversidad de Princeton y Universidad de California, San Diego. El nuevo estudio incluye colaboradores de Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatironel Instituto de Tecnología de Massachusetts y Universidad de California, Davis.

El comunicado de prensa de la Universidad Northwestern explica que “ Las simulaciones de FIRE combinan astrofísica teórica con algoritmos avanzados para modelar la formación de galaxias. Los modelos permiten a los investigadores estudiar cómo se forman, crecen y cambian de forma las galaxias, teniendo en cuenta la energía, la masa y los flujos de elementos químicos enviados desde las estrellas. «.

Hace varios años, FIRE propuso una solución elegante a un problema del modelo cosmológico estándar que parecía incapaz de explicar el pequeño número de galaxias enanas observadas alrededor de galaxias grandes como la Vía Láctea.