Λύθηκε το «τεράστιο» πρόβλημα των 6 γαλαξίων του James Webb!

Το πρόσφατο επιστημονικό άρθρο [1] που δημοσίευσε ο Ivo Labbé και η ομάδα του βασίζεται σε φωτογραφίες από το James Webb Space Telescope (JWST) και αναφέρεται στα ευρήματα έξι μακρινών γαλαξιών που φαίνεται να είναι πολύ μεγαλύτεροι από ό,τι προβλεπόταν από τα σύγχρονα μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν. Αυτά τα ευρήματα αμφισβητούν όχι μόνο την κατανόησή μας για την εξέλιξη των γαλαξιών, αλλά ενδέχεται να αμφισβητήσουν και την εγκυρότητα του καθιερωμένου μοντέλου του σύμπαντος, του ΛCDM [2]. Την περίοδο εκείνη, μάλιστα, τα ΜΜΕ είχαν εκτροχιαστεί με άστοχες αναφορές του τύπου "καταρρίπτεται η θεωρία της μεγάλης έκρηξης", θέλοντας να αναφερθούν στο μοντέλο ΛCDM. 

Στο μεταξύ, η ομάδα του Steinhardt και οι συνεργάτες του έχουν πλέον προβεί σε αναλύσεις που αμφισβητούν αυτήν την ερμηνεία [3]. Υποστηρίζουν ότι το πρόβλημα δεν έγκειται στο καθιερωμένο μοντέλο του σύμπαντος (ΛCDM), αλλά στα σύγχρονα μοντέλα για το σχηματισμό των γαλαξιών, και ειδικότερα στην υπόθεση της καθολικής συνάρτησης αρχικής μάζας (initial mass function ή IMF) που χρησιμοποιείται σε αυτά τα μοντέλα. Η IMF είναι μια συνάρτηση που καθορίζει την πιθανότητα σχηματισμού ενός αστέρα, δεδομένης μάζας, στο εσωτερικό ενός γαλαξία, και επηρεάζει άμεσα τους υπολογισμούς που γίνονται για την εκτίμηση της μάζας ενός παρατηρούμενου γαλαξία.

Σχήμα 1: Τα διαφορετικά είδη συνάρτησης αρχικής μάζας (initial mass function ή IMF)

Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες υπέθεταν ότι η IMF είναι ίδια για όλους τους γαλαξίες, ανεξάρτητα από την ηλικία και τις συνθήκες σχηματισμού τους. Ωστόσο, η υπόθεση αυτή έχει αρχίσει να αμφισβητείται και να αντικαθίσταται από νέες ιδέες. Πολλές πρόσφατες έρευνες [4,5,6] προτείνουν ότι η IMF εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αερίου που συνθέτει τα άστρα και, κατά συνέπεια, τους γαλαξίες. Πιο συγκεκριμένα, ένα θερμό αέριο μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία λιγότερων μικρών - σε μάζα - αστέρων σε σχέση με ένα ψυχρό αέριο. Οι επιστήμονες αναφέρονται σε αυτήν τη φαινομενολογία ως "bottom-light IMF".

Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι στο πρώιμο σύμπαν τα αέρια υδρογόνου ήταν πιο ζεστά σε σύγκριση με το μετέπειτα σύμπαν, είναι λογικό να υποθέσουμε μια bottom-light IMF αντί για μια καθολική IMF που χρησιμοποίησε η ομάδα του Ivo Labbé. Ακολουθώντας αυτήν την προσέγγιση, η ομάδα του Steinhardt εκτέλεσε εκ νέου τους υπολογισμούς για τη μάζα των έξι υποψηφίων γαλαξιών και κατέληξε σε μια λύση που είναι συμβατή με το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο (ΛCDM).

Σχήμα 2: Οι κόκκινες κουκκίδες μας δίνουν τα αποτελέσματα της ομάδας του Steinhardt ενώ οι μαύρες τα αποτελέσματα της ομάδας του Ivo Labbé. Είναι φανερό στο οι νέοι υπολογισμοί δεν βρίσκονται στην περιοχή του φυσικά αδύνατου σχηματισμού των γαλαξιών. [3] 

Συνοψίζοντας, η μελέτη του Ivo Labbé και των συνεργατών του αμφισβητεί τα σύγχρονα μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών και θέτει υπό αμφισβήτηση το κυρίαρχο μοντέλο του σύμπαντος, το ΛCDM. Ωστόσο, οι πρόσφατες αναλύσεις από την ομάδα του Steinhardt υποστηρίζουν ότι το πρόβλημα μπορεί να εξηγηθεί με την υπόθεση μιας bottom-light IMF που ταιριάζει με την θερμοκρασία των αερίων στο πρώιμο σύμπαν. Η έρευνα αυτή έχει σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση μας για την εξέλιξη των γαλαξιών και βάζει τέλος στην πολυετή υπόθεση της καθολικής IMF των αστροφυσικών.

Διαβάστε για το πως υπολογίζουμε την μάζα και την απόσταση των γαλαξιών κάνοντας κλικ εδώ

References:

[1] Labbé et al. (2023; 6 massive galaxies in JWST data) - https://arxiv.org/pdf/2207.12446.pdf

[2] Boylan-Kolchin (2023; massive galaxies tension with λ CDM) - https://arxiv.org/pdf/2208.01611.pdf

[3] Steinhardt et al. (2023; new IMF for early universe) - https://arxiv.org/pdf/2208.07879.pdf

[4] Sneppen et al. (2022; temperature dependent IMF) - https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac695e/pdf

[5] Smith (2020; review on varying IMFs) - https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-032620-020217?journalCode=astro

[6] Hopkins (2018; review on how IMF is measured) - https://arxiv.org/pdf/1807.09949.pdf