우주 웹의 시작을 보는 JWST

우주 웹은 우주의 대규모 구조입니다. 빅뱅에서 오늘날까지 우리 우주가 펼쳐지는 것을 볼 수 있다면 이러한 필라멘트(및 그 사이의 빈 공간)가 시간이 지남에 따라 형성되는 것을 볼 수 있을 것입니다. 이제 JWST를 사용하는 천문학자들은 우주가 시작된 지 불과 8억 3천만 년 후에 이 구조의 초기 버전을 형성하는 10개의 은하를 발견했습니다.

“우주 웹”은 초기 우주에서 밀도의 변동으로 시작되었습니다. 빅뱅 이후 수억 년 후, 물질(원시 기체 형태)은 초기 격자의 판과 기체 필라멘트의 접합부에서 매듭으로 응축되었습니다. 이 매듭과 필라멘트는 최초의 별과 은하를 호스팅했습니다. 당연히 천문학자들은 시간을 거슬러 올라가 우주망의 초기 버전을 찾을 것입니다. JWST 기술을 통해 그들은 빅뱅 직후에 있었던 희미하고 불투명한 것들을 되돌아볼 수 있었습니다.

팀이 관찰한 10개의 은하들은 밝은 퀘이사에 의해 함께 고정된 3백만 광년에 걸쳐 얇은 필라멘트에 정렬되어 있습니다. 그 모습은 우주 역사에서 그 크기와 위치에 대해 팀을 놀라게 했습니다. “이것은 멀리 떨어져 있는 퀘이사와 관련하여 사람들이 발견한 가장 오래된 필라멘트 구조 중 하나입니다.”라고 이 프로그램의 수석 연구원인 Tucson에 있는 애리조나 대학의 Vig Wang은 덧붙였습니다.

초기 우주와 우주망을 이해하고자 하는 열망

JWST 관측은 ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era라는 모니터링 프로그램의 일부입니다. 그것은 “암흑기” 이후 우주가 밝아지기 시작한 과거에 존재했던 25개의 퀘이사의 이미지와 스펙트럼을 사용합니다. 아이디어는 가장 가까운 은하의 형성과 최초의 블랙홀의 탄생을 연구하는 것입니다. 또한 팀은 초기 우주가 어떻게 더 무거운 원소(금속)로 풍부해졌는지, 그리고 재이온화 시대에 어떻게 이런 일이 일어났는지 이해하기를 희망합니다.

ASPIRE 목표는 우주의 기원과 진화를 이해하는 데 중요한 부분입니다. “지난 20년간의 우주론 연구는 우리에게 우주 웹이 어떻게 형성되고 진화했는지에 대한 확실한 이해를 제공했습니다. ASPIRE는 가장 오래된 거대한 블랙홀의 출현이 현재의 우주 구조 형성 이야기에 통합될 수 있는 방법을 이해하는 것을 목표로 합니다.”라고 설명했습니다. 산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학의 팀원 Joseph Henawi.

초기 블랙홀에 초점

퀘이사는 시간과 공간을 통해 유인합니다. 그들은 강력한 제트와 함께 엄청난 양의 빛과 기타 방출물을 생성하는 초대형 블랙홀에 의해 구동됩니다. 천문학자들은 빛이 통과하는 광대한 공간 영역을 연구하는 방법뿐만 아니라 거리 측정을 위한 표준 촛불로 사용합니다.

ASPIRE 연구에 포함된 퀘이사 중 최소 8개에는 빅뱅 이후 10억 년 이내에 형성된 블랙홀이 있습니다. 이 블랙홀의 질량은 태양 질량의 6억 배에서 20억 배에 이릅니다. 이것은 정말 거대하고 그들의 급속한 성장에 대해 많은 질문을 제기합니다. 이러한 초대질량 블랙홀이 이렇게 짧은 시간에 형성되려면 두 가지 기준을 충족해야 합니다. 먼저 초대형 블랙홀 “씨앗”에서 성장을 시작해야 합니다. 둘째, 이 씨앗이 천 개의 태양에 해당하는 질량으로 시작하더라도 평생 동안 가능한 최대 속도로 백만 배 더 많은 물질을 축적해야 했습니다.”라고 Wang은 설명했습니다.

이 블랙홀이 성장하기 위해서는 많은 연료가 필요했습니다. 그들의 은하는 또한 매우 무거웠고, 이는 그들의 핵에 있는 거대한 블랙홀을 설명할 수 있었습니다. 그 블랙홀은 많은 물질을 빨아들였을 뿐만 아니라 유출된 물질이 별 형성에도 영향을 미쳤습니다. 블랙홀의 강한 바람은 호스트 은하에서 별 형성을 방해할 수 있습니다. 이런 바람은 가까운 우주에서는 관측됐지만 재이온화 시대에는 직접 관측되지 않았다”며 “바람의 크기는 퀘이사의 구조와 관련이 있다. Webb의 관찰에서 우리는 그러한 바람이 초기 우주에 존재했음을 알 수 있습니다.”

나이가 왜?

우리는 종종 재이온화 시대로 돌아가고 싶어하는 천문학자들에 대해 듣습니다. 왜 그런 수수께끼 같은 목표입니까? 그것은 최초의 별과 은하가 형성되었을 때를 보여줍니다. 빅뱅 이후 유아 우주는 뜨겁고 밀도가 높은 상태였습니다. 우리는 때때로 그것이 원시 우주 수프라고 불리는 것을 듣습니다. 그 후 확장이 이어지고 상황이 식기 시작했습니다. 이로 인해 전자와 양성자가 결합하여 첫 번째 중성 가스 원자를 형성할 수 있었습니다. 그것은 또한 빅뱅으로부터 열 에너지의 확산을 허용했습니다. 천문학자들은 이 방사선을 감지합니다. 그것은 전자기 스펙트럼의 극초단파 부분에서 적색편이됩니다. 천문학자들은 이것을 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)라고 부릅니다.

초기 우주의 이 쪽은 팽창하는 물질에서 약간의 밀도 변동이 있었습니다. 그 물질은 중성수소였습니다. 아직 별이나 은하가 없었습니다. 그러나 결국 이러한 고밀도 영역은 중력의 영향으로 서로 뭉치기 시작하여 중성 물질도 서로 뭉치기 시작했습니다. 이로 인해 고밀도 영역이 더 붕괴되어 결국 최초의 별이 탄생했습니다. 그들은 중립 영역에 구멍을 뚫어 빛이 통과할 수 있도록 주변 물질을 가열했습니다. 기본적으로 중성 가스의 구멍(또는 기포)은 전리 방사선이 우주를 통해 더 멀리 이동할 수 있도록 합니다. 재 이온화 시대의 시작이었습니다. 빅뱅으로부터 10억년 후, 우주는 완전히 이온화되었습니다.

그렇다면 초기 초대질량 블랙홀을 어떻게 설명할 수 있을까요?

흥미롭게도 JWST가 발견한 초기 은하들은 퀘이사들과 함께 이미 중심에 초거대질량 블랙홀이 모두 제자리에 있었습니다. 주요 질문은 다음과 같습니다. 어떻게 그렇게 빨리 커질 수 있었습니까? 그들의 존재는 천문학자들에게 유아 우주의 “추가 밀도”에 대해 무엇인가를 말해 줄 수 있습니다. 첫째, 블랙홀의 “씨앗”이 형성되려면 은하로 가득 찬 밀집된 지역이 필요합니다.

그러나 지금까지 JWST의 발견 이전의 관측에서는 가장 오래된 초대질량 블랙홀 주변에서 은하 밀도가 약간 증가한 것을 발견했습니다. 천문학자들은 그 이유를 설명하기 위해 이 시대에 더 많은 관측을 할 필요가 있습니다. ASPIRE 프로그램은 우주의 초기 시대에 은하 형성과 블랙홀 생성 사이의 피드백에 대한 질문을 해결하는 데 도움이 될 것입니다. 그 과정에서 그들은 또한 우주의 우주 웹이 형태를 갖추면서 대규모 구조의 더 많은 파편을 보게 될 것입니다.

자세한 내용은

NASA의 웹은 우주 웹의 첫 번째 가닥을 식별합니다.
재이온화 시대의 바이어스 헤일로(ASPIRE) 분광 조사: JWST는 az = 6.61 Quasar 주변의 필라멘트 구조를 밝힙니다.