Quan els investigadors van entreveure les primeres imatges i dades del telescopi espacial James Webb (JWST), el telescopi espacial més gran i més potent de la humanitat, van observar una cosa peculiar. Un gran nombre de galàxies brillants a les profunditats de l'univers es van formar durant un període anomenat "Albada Còsmica", quan es van formar les primeres estrelles i galàxies en els 500 milions d'anys posteriors al Big Bang.
Feu clic a la imatge per ampliar-la. Concepció artística de les primeres galàxies amb brots estel·lars. Astrònoms de la UC Davis van col·laborar en noves simulacions que mostren com van poder sorgir galàxies brillants als inicis de l'univers. Les estrelles i galàxies es mostren als punts blancs brillants de llum, mentre que la matèria fosca i el gas, més difusos, es mostren en morats i vermells. Imatge d'Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS.
Els resultats van ser inesperats. Molts models cosmològics de formació de galàxies indicaven que no es podien formar galàxies tan lluminoses en una etapa tan primerenca de l'univers.
Però una nova investigació publicada a The Astrophysical Journal Letters demostra que un model teòric elaborat fa uns cinc anys predeia precisament aquestes observacions.
"Quan analitzem aquestes galàxies en la nostra simulació tal com les hauria vist el JWST, s'assemblen força al que va observar el JWST", afirma l'astrofísic teòric Andrew Wetzel, professor associat de Física i Astronomia a UC Davis i coautor de l'article. "Les nostres prediccions s'han complert. Pels teòrics com jo, això no pot ser millor: fer una predicció i veure-la feta realitat".
L'article, dirigit per investigadors de la Universitat Northwestern, atribueix el gran nombre de galàxies brillants observades a Albada Còsmica a la formació estel·lar explosiva, un fenomen natural a l'univers que era una propietat emergent del model cosmològic de l'equip.
Fluctuació de la llum estel·lar
Segons Wetzel, molts models anteriors relatius a la formació de galàxies durant l'Albada Còsmica caracteritzaven la brillantor d'aquestes galàxies com a constant al llarg del temps. Wetzel va comparar la brillantor d'aquests models amb una llanterna. Quan està encesa, el feix és estable i constant. Però no va ser així com es van comportar les primeres galàxies de l'univers primitiu. La seva brillantor era molt més variable al llarg del temps.
"La clau és que aquestes febles galàxies experimenten fluctuacions molt ràpides a la seva brillantor", explica Wetzel. "Així que durant un petit lapse de temps, aquestes galàxies normalment febles es tornen temporalment molt brillants".
Dóna la casualitat que el JWST va recollir imatges i dades en un moment en què aquestes galàxies mostraven esclats, segons Wetzel. Durant el període de Clarejar Còsmic, es van formar grans quantitats d'estrelles alhora, cremant brillantment abans d'explotar com a supernoves i extingir-se.
Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge ens serveix per poder comparar la mida dels miralls primaris i la dels tècnics que van acoblar el telescopi espacial James Webb durant el trasllat a una sala blanca del Centre Goddard de Vols Espacials, una vegada completades les proves de vibració i acústica. Crèdit: NASA/Desiree Stover
"Un dels ingredients més importants del nostre model és modelitzar com les estrelles es retroalimenten al conjunt de la galàxia", afirma Wetzel.
Un model "FIRE"
El model de Wetzel i els seus col·legues utilitza simulacions cosmològiques del projecte Feedback in Realistic Environments (FIRE ; sigles de Retroalimentació en un Entorn Realista), l'objectiu del qual és "desenvolupar i explorar simulacions cosmològiques de la formació de galàxies que resolguin directament el mitjà interestel·lar de galàxies individuals alhora que capturen el seu entorn" cosmològic", segons el lloc web de la col·laboració FIRE.
"Hem d'executar aquests models de simulació utilitzant instal·lacions nacionals de supercomputació, atès el seu alt rang dinàmic i com són de rics en física", va explicar Wetzel. "Conflueixen gairebé totes les àrees de l´astrofísica".
En essència, l'equip introdueix les lleis físiques bàsiques subjacents a la formació de galàxies, com la gravetat, la dinàmica de fluids i la radiació, entre altres processos físics. A continuació, executen la simulació als avançats supercomputadors del projecte.
L'esclat de les galàxies antigues observades pel JWST va ser una propietat emergent de la simulació FIRE de l'equip, cosa que reforça la idea que la formació estel·lar explosiva explica de manera natural l'abundància de galàxies brillants a l'Albada Còsmica.
"No hi havia cap paràmetre específic que digués: Així d'esclatants són les galàxies!", explica Wetzel. "Aquest esclat, amb una ràpida variació de la brillantor d'aquestes primeres galàxies, va sorgir de manera natural dels nostres models computacionals".
Actualment, Wetzel i els seus estudiants treballen en un projecte per adaptar la seva simulació de FOC a qüestions relatives a com es va formar la galàxia Via Làctia. El projecte aprofita les dades actuals de la Via Làctia per reconstruir les històries de formació d'estrelles individuals. "A vegades descrivim aquest camp com a arqueologia galàctica", explica Wetzel. "Vam prendre el registre actual de la Via Làctia i l'utilitzem per fer enginyeria inversa sobre com va aparèixer al llarg de la història, fins i tot durant l'Albada Còsmica".
La investigació ens ajudarà a comprendre millor els inicis de la galàxia que anomenem llar.
