Obłoki pyłu węglowego widziane, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat

Szacuje się, że Droga Mleczna zawiera około stu miliardów gwiazd. Pomiędzy nimi znajduje się ośrodek międzygwiazdowy (ISM), obszar przesiąknięty ziarnami gazu i pyłu. Pył ten składa się głównie z cięższych pierwiastków, w tym minerałów krzemianowych, lodu, węgla i związków żelaza. Pył ten odgrywa kluczową rolę w ewolucji galaktyk, ułatwiając grawitacyjne zapadanie się obłoków gazu w celu utworzenia nowych gwiazd. Ten galaktyczny pył można zmierzyć na podstawie tego, jak osłabia światło gwiazd z odległych galaktyk, powodując przejście z promieniowania ultrafioletowego do dalekiej podczerwieni.

Jednak pochodzenie różnych ziaren pyłu jest nadal tajemnicą, szczególnie we wczesnym Wszechświecie, kiedy uważa się, że cięższe pierwiastki były rzadkie. Wcześniej naukowcy uważali, że pierwiastki takie jak węgiel potrzebowały setek milionów lat, aby się uformować i nie mogły istnieć przed około 2,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Korzystając z danych uzyskanych przez JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), międzynarodowy zespół astronomów i astrofizyków donosi o wykryciu ziaren węglowych wokół galaktyki, która istniała około 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Zespół badawczy składał się z astronomów i astrofizyków z wielu uniwersytetów i instytutów na całym świecie. Obejmowały one Kavli Institute for Cosmology, Cavendish Laboratory, Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), Space Telescope Science Institute (STScI), Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre, National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), ASTRO 3D oraz Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Artykuł opisujący ich odkrycia pojawił się niedawno w Internecie i jest recenzowany w celu publikacji.

Program JADES to przegląd pozagalaktyczny i wspólny wysiłek zespołów JWST Near-Infrared Camera (NIRCam) i Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Celem jest przeprowadzenie głębokiego, równoległego obrazowania w średniej podczerwieni i spektroskopii około 100 000 galaktyk w dwóch pozagalaktycznych głębokich polach (GOODS-South (CDF-S) i GOODS-North (HDF)). Pola te były wcześniej fotografowane w pasmach optycznym, podczerwonym i ultrafioletowym (UV) przez teleskopy kosmiczne Hubble’a, Spitzera i Chandra w ramach Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS).

Do tej pory przegląd JADES przesuwał granice astronomii, odkrywając i potwierdzając galaktyki, które znajdują się w odległości około 13,4 miliarda lat świetlnych – najodleglejsze galaktyki, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Porównując je ze spektroskopią optyczną i morfologią galaktyk odległych od 10 do 11,5 lat świetlnych, JADES ujawni więcej informacji na temat wczesnych faz formowania się galaktyk. Szczególnie niepokojąca jest rola pyłu kosmicznego – materii, z której zbudowane są gwiazdy, planety, cząsteczki organiczne i całe życie – oraz kiedy pewne ziarna się uformowały.

Galaktyka GN-z11 nałożyła się na zdjęcie z przeglądu GOODS-North. Źródło: NASA/ESA/STScI

JWST jest szczególnie dobrze przystosowany do badania ziaren pyłu ze względu na zaawansowane możliwości obrazowania w podczerwieni. Jak dr Joris Witstok, doktor habilitowany w Kavli Institute for Cosmology (University of Cambridge), powiedział Universe Today przez e-mail:

Ziarna pyłu katalizują powstawanie cząsteczek i fragmentację obłoków gazu, dwa mechanizmy, które są niezbędne do powstawania gwiazd. Ponadto, podczas gdy masa pyłu galaktyki jest znikoma w porównaniu z masą gwiazdy lub gazu, ziarna pyłu pochłaniają znaczną część światła optycznego i ultrafioletowego (UV) i termicznie ponownie emitują pochłoniętą energię w podczerwieni (IR).

Opierając się na danych uzyskanych z tych pól, zespół zaobserwował bezpośrednie dowody na istnienie ziaren węglowych, które istniały do miliarda lat po Wielkim Wybuchu (ok. ponad 13 miliardów lat temu). Było to widoczne w szerokim zakresie absorpcji promieniowania UV w głębokich widmach bliskiej podczerwieni (2175 angstremów). Wcześniej obserwowano tę cechę tylko w starszych galaktykach z przesunięciem ku czerwieni z=< 3 (mniej niż 11,476 miliarda lat temu). Wcześniej uważano, że ziarna te są wytwarzane przez czerwone olbrzymy w ciągu setek milionów lat. Witstok powiedział:

Większość modeli powstawania pyłu zazwyczaj opiera się na ziarnach pyłu węglowego powstających w wiatrach gwiazdowych gwiazd asymptotycznych olbrzymów (AGB), podczas gdy gwiazdy mogą osiągnąć ten etap ewolucyjny tylko ~300 milionów lat po ich uformowaniu. Dlatego zaskakujące jest to, że dowody na obecność pyłu węglowego w tak wczesnych galaktykach, z których najodleglejsza jest widoczna, gdy wiek Wszechświata wynosił zaledwie 800 milionów lat: oznacza to, że formowanie się gwiazd rozpoczęło się zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu (który w kosmicznych skalach czasowych jest bardzo wczesny), lub zamiast tego ziarna pyłu węglowego mogą powstać za pomocą innego, szybszego mechanizmu.

Międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał dane z JWST do poinformowania o odkryciu najwcześniejszych potwierdzonych do tej pory galaktyk (ok. 13,4 miliarda lat temu). Źródło: NASA/ESA/CSA

Wyniki te sugerują, że szybszy mechanizm był odpowiedzialny za tworzenie ziaren pyłu węglowego we wczesnym Wszechświecie. Jak wyjaśnił Witstok, on i jego koledzy podejrzewają, że supernowe zasiały wczesny Wszechświat węglem, gdy zdmuchiwały swoje zewnętrzne warstwy.

Ma to ważne implikacje dla ewolucji galaktyk, ponieważ węgiel, z którego zbudowane są ziarna, jest również syntetyzowany przez te gwiazdy, co oznacza, że niektóre pierwiastki mogą rozprzestrzeniać się w galaktyce szybciej niż wcześniej sądzono.powiedział.

Moja Astronomia

Strona poświęcona astronomii

Obłoki pyłu węglowego widziane, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat