As primeiras galáxias massivas do JWST concordam com a cosmologia ΛCDM
Essas galáxias de alta massa e rápida formação estelar colocaram em questão a cosmologia moderna. Mas as simulações de alta resolução não mostram nenhuma tensão.- Quando o JWST abriu pela primeira vez seus novos olhos no Universo distante, surpreendeu muitos ao encontrar um grande número de galáxias iniciais, massivas, evoluídas e formadoras de estrelas.
- As observações mostraram um Universo mais desajeitado com um conjunto de estrutura mais rico do que a maioria dos teóricos, e todas as simulações de ponta, mostraram de antemão.
- Mas com resolução computacional superior, um novo conjunto de simulações realmente reproduz essas jovens e massivas galáxias iniciais, em total concordância com o que foi observado.
Desde o lançamento do JWST, os astrônomos o usaram para investigar o jovem Universo.
O Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS Survey) quebrou o recorde de maior imagem de campo profundo obtida pelo JWST, anteriormente detida pela primeira imagem de cluster de lentes lançada. Este pequeno pedaço do céu, perto da alça da Ursa Maior, contém cerca de 200 candidatos a galáxias de disco luminoso encontrados nos primeiros 3 bilhões de anos da história do Universo. As visões mais profundas do Universo primordial deram aos astrônomos e astrofísicos muito o que refletir.Com capacidades técnicas sem precedentes, o JWST já quebrou o recorde de distância cósmica do Hubble.
A área de visualização do levantamento JADES, juntamente com as quatro galáxias mais distantes verificadas neste campo de visão. As três galáxias em z = 13,20, 12,63 e 11,58 estão todas mais distantes do que a detentora do recorde anterior, GN-z11, que foi identificada pelo Hubble e agora confirmada espectroscopicamente pelo JWST com um desvio para o vermelho de z = 10,6 .Numerosas galáxias ultra-distantes foram descobertas, revelando um rico Universo primitivo.
Esta animação alterna os pontos de vista entre o Hubble Ultra Deep Field e a visualização JWST de uma região sobreposta do espaço. Devido à diferença no tamanho e na resolução do telescópio, as visualizações do JWST são reduzidas em cerca de um fator de 4 na resolução para fazer com que essas duas imagens coincidam.Essas galáxias jovens parecem massivas, evoluídas e estão se formando rapidamente.
As galáxias que são membros do protoaglomerado identificado A2744z7p9OD são mostradas aqui, delineadas no topo de suas posições na visualização JWST do aglomerado de galáxias Abell 2744. Com apenas 650 milhões de anos após o Big Bang, é o protoaglomerado de galáxias mais antigo já identificado .Embora os dados ainda estejam chegando, muitos questionam se essas galáxias entram em conflito com nossa cosmologia consensual.
Esta coleção de vários “apontamentos” JWST diferentes da pesquisa fotométrica do CEERS contém a Galáxia de Maisie, uma candidata a galáxia de alto desvio para o vermelho que foi recentemente confirmada espectroscopicamente como z = 11,4, colocando-a apenas 390 milhões de anos após o Big Bang. Ele também contém quatro galáxias próximas separadas em um desvio para o vermelho confirmado de 4,9, indicando um proto-aglomerado de galáxias apenas 1,2 bilhão de anos após o Big Bang.As condições iniciais do nosso Universo são conhecidas: impressas no brilho remanescente do Big Bang.
As flutuações de grande, média e pequena escala do período inflacionário do Universo primitivo determinam os pontos quentes e frios (subdensos e superdensos) no brilho remanescente do Big Bang. Essas flutuações, que se estendem por todo o Universo na inflação, devem ter uma magnitude ligeiramente diferente em escalas pequenas versus grandes: uma previsão que foi confirmada observacionalmente em aproximadamente 3%. No momento em que observamos o CMB, 380.000 anos após o fim da inflação, há um espectro de picos e vales na distribuição de temperatura/escala de flutuações, devido a interações entre normal/matéria escura e radiação.As equações que governam a gravitação e a formação de estruturas também são altamente certas.
As observações de maior escala no Universo, desde a radiação cósmica de fundo até a teia cósmica, passando por aglomerados de galáxias até galáxias individuais, todas requerem matéria escura e energia escura para explicar o que observamos. Embora as equações que governam a evolução sejam bem conhecidas, assim como as magnitudes das regiões inicialmente superdensas em nosso Universo, ainda é difícil obter a resolução necessária em pequena escala para descobrir as massas e propriedades das menores e mais antigas galáxias.Portanto, devemos prever com sucesso como as estruturas massivas podem ser ao longo da história cósmica.
Com o tempo, as interações gravitacionais transformarão um universo uniforme e de igual densidade em um com grandes concentrações de matéria e enormes vazios separando-os. Como as simulações são limitadas no número de partículas que podem manipular ao mesmo tempo, as simulações cósmicas de maior escala são inerentemente limitadas em sua capacidade de resolver galáxias iniciais individuais.Uma limitação subestimada das simulações modernas, no entanto, é a resolução.
Este trecho de uma simulação de formação de estrutura de resolução média, com a expansão do Universo ampliada, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que os filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel secundário. Quanto maior for a sua simulação, no entanto, mais essa estrutura de menor escala é intrinsecamente subestimada e 'suavizada'.As simulações anteriores tiveram dificuldade em reproduzir galáxias massivas e evoluídas tão cedo.
Enquanto a teia de matéria escura (roxo, à esquerda) pode parecer determinar a formação da estrutura cósmica por conta própria, o feedback da matéria normal (vermelho, à direita) pode impactar severamente a formação da estrutura em escalas galácticas e menores. Tanto a matéria escura quanto a matéria normal, nas proporções corretas, são necessárias para explicar o Universo conforme o observamos. No entanto, mesmo simulações de última geração como Illustris, mostradas aqui, lutam para reproduzir a estrutura em pequena escala dentro da teia cósmica.Com maior resolução de massa e resolução espacial, no entanto, as simulações renascentistas oferecer uma perspectiva diferente.
Embora esta tabela possa parecer apenas uma confusão de números, a chave para alta resolução são as duas colunas finais: massas menores e separações espaciais menores levam a simulações de maior resolução, o que significa previsões mais confiáveis para estruturas em massas menores, em menores escalas, e em tempos anteriores. Observe como o Renascimento é superior a todos os outros nesses aspectos.A resolução sem precedentes destaca quanta massa as regiões inicialmente mais densas acumulam.
Regiões nascidas com uma superdensidade típica ou “normal” crescerão para ter estruturas ricas nelas, enquanto regiões subdensas “vazias” terão menos estrutura. No entanto, a estrutura inicial de pequena escala é dominada pelas regiões com picos mais altos em densidade (rotulada como “pico raro” aqui), que crescem mais rapidamente e são visíveis apenas em detalhes nas simulações de resolução mais alta.Regiões raras, mas fortemente densas, crescem para conter as primeiras e mais massivas galáxias de todas.
As três regiões simuladas destacadas anteriormente, usando a suíte Renaissance, levam a previsões de quão massivas as galáxias devem ser nessas três regiões (linhas laranja, azul e verde). As 5 primeiras galáxias reveladas até agora com o JWST, com barras de erro mostradas, têm uma probabilidade de “1” de ocorrer dentro das regiões observadas. Se fossem realmente raros, seriam mais brilhantes e massivos, como mostram as curvas de probabilidade ~10^-3 e ~10^-6.Mesmo com taxas de formação de estrelas modestas e completamente realistas, as galáxias mais distantes do JWST são perfeitamente típicas dentro de nossa cosmologia ΛCDM padrão.
Três estimativas diferentes, mas ainda realistas, para taxas sustentadas de formação de estrelas são dadas pelas três linhas, com galáxias modelo reveladas por simulações mostradas com sombreados e as galáxias reais observadas pelo JWST mostradas acima delas. Observe a sobreposição de 100%.Surpresas e novos recordes ainda aguardam o JWST, mas afirmações como “o JWST quebrou a cosmologia” foram todas prematuras.
Esta imagem composta de 7 dos filtros NIRCam do JWST mostra a parte central do aglomerado de galáxias Abell 2744: Cluster de Pandora. Os três principais componentes do cluster são destacados com inserções, com objetos de primeiro plano e de fundo, totalizando cerca de 50.000 deles, presentes neste pedaço de céu de 0,007 graus quadrados.Mostly Mute Monday conta uma história astronômica em imagens, visuais e não mais que 200 palavras. Fale menos; sorria mais.
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