Spektralna analiza svetleče galaksije JADES-GS-z14-0 na podlagi opazovanj januarja 2024 je razkrila rdeči premik 14.32, zaradi česar je najbolj oddaljena znana galaksija (prejšnja najbolj oddaljena znana galaksija je bila JADES-GS-z13-0 pri rdečem premiku od z = 13.2). Nastala je v zgodnjem vesolju približno 290 milijonov let po velikem poku. Ogromna količina zvezdne svetlobe nakazuje, da je ogromen in da meri več kot 1,600 svetlobnih let. Tako svetleča, masivna in velika galaksija v zgodnjem vesolju ob kozmični zori nasprotuje trenutnemu razumevanju nastanka galaksij. Prve zvezde v vesolju so bile zvezde Pop III z ničelno ali izjemno nizko vsebnostjo kovin. Vendar študija infrardečih lastnosti galaksije JADES-GS-z14-0 razkriva prisotnost kisika, kar pomeni obogatitev s kovinami, kar pomeni, da so generacije masivnih zvezd že zaključile svojo življenjsko pot od rojstev do eksplozije supernove do približno 290 milijonov let v zgodnjem vesolju. Tako so lastnosti te galaksije v nasprotju s trenutnim razumevanjem nastanka galaksij v zgodnjem vesolju.
Zelo zgodnje vesolje, približno 380,000 let po velikem poku, je bilo napolnjeno z ioniziranimi plini in popolnoma neprozorno zaradi sipanja fotonov s prostimi elektroni. Sledilo je nevtralno obdobje zgodnjega vesolja, ki je trajalo okoli 400 milijonov let. V tej dobi je bilo vesolje nevtralno in pregledno. Prva svetloba se je pojavila, ko je vesolje postalo prozorno, postala rdeča, premaknjena v mikrovalovno območje zaradi širitve, in jo zdaj opazujemo kot kozmično mikrovalovno ozadje (CMB). Ker je bilo vesolje napolnjeno z nevtralnimi plini, ni bil oddan optični signal (zato se imenuje temna doba). Neionizirani materiali ne oddajajo svetlobe, zato je težko preučevati zgodnje vesolje nevtralne dobe. Vendar pa mikrovalovno sevanje z valovno dolžino 21 cm (kar ustreza 1420 MHz), ki ga oddaja hladen, nevtralen kozmični vodik v tem obdobju zaradi hiperfinega prehoda iz vzporednega vrtenja v stabilnejše anti-vzporedno vrtenje, ponuja astronomom priložnosti. To 21 cm mikrovalovno sevanje bi se premaknilo v rdečo barvo, ko bi doseglo Zemljo, in ga bomo opazovali pri frekvencah od 200 MHz do 10 MHz kot radijske valove. The REACH (Radijski eksperiment za analizo kozmičnega vodika) Namen eksperimenta je zaznati izmuzljivo 21-cm črto iz kozmičnega vodika.
Obdobje reionizacije je bilo naslednje obdobje v zgodovini zgodnjega vesolja, ki je trajalo od približno 400 milijonov let po velikem poku do 1 milijarde let. Plini so se ponovno ionizirali zaradi visoko energijskih UV-sevanj, ki so jih oddajale močne zgodnje zvezde. V tem obdobju se je začelo nastajanje galaksij in kvazarjev. Luči tega obdobja so rdeče, premaknjene proti rdečemu in infrardečemu območju. Hublejeve globoke terenske študije so bile nov začetek pri preučevanju zgodnjega vesolja, vendar je bil njihov obseg pri zajemanju prvobitnih luči omejen. Potreben je bil infrardeči observatorij v vesolju. JWST je specializiran izključno za infrardečo astronomijo preučevanje zgodnjega vesolja.
Vesoljski teleskop James Webb (JWST) je bil izstreljen 25. decembra 2021. Kasneje je bil tt postavljen v orbito blizu Lagrangeove točke L2 Sonce–Zemlja, približno 1.5 milijona km od Zemlje. Popolnoma je začel delovati julija 2022. Z uporabo ključnih znanstvenih instrumentov na krovu, kot so NIRCam (bližnja infrardeča kamera), NIRSpec (bližnji infrardeči spektrograf), MIRI (srednji infrardeči instrument), JWST išče optične/infrardeče signale iz zgodnjih zvezd in galaksij nastalih v vesolju za boljše razumevanje nastanka in razvoja galaksij ter nastanka zvezd in planetarnih sistemov. V zadnjih dveh letih je dal fascinantne rezultate pri raziskovanju kozmične zore (tj. obdobja v prvih nekaj sto milijonih let po velikem poku, kjer so se rodile prve galaksije).
Program JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).
Cilj tega programa je preučevanje evolucije galaksije od visokega rdečega premika do kozmičnega poldneva z infrardečim slikanjem in spektroskopijo v globokih poljih GOODS-S in GOODS-N.
V prvem letu so raziskovalci JADES naleteli na stotine galaksij kandidatov iz prvih 650 milijonov let po velikem poku. V začetku leta 2023 so v svojem naboru podatkov našli galaksijo, za katero se je zdelo, da ima rdeči premik 14, kar nakazuje, da mora biti izjemno oddaljena galaksija, vendar je bila zelo svetla. Poleg tega se je zaradi bližine zdelo, da je del druge galaksije. Zato so to pridobitev opazili oktobra 2023. Novi podatki so potrdili, da je rdeči premik 14. Spekter te galaksije je bil potreben za identifikacijo lokacije preloma Lyman-alfa v spektru, da bi izmerili rdeči premik in določili starost.
Lyman-alfa je spektralna emisijska črta vodika v Lymanovi seriji, ko elektroni preidejo iz n=2 v n=1. Točka preloma Lyman-alfa v spektru ustreza opazovani valovni dolžini (λopazovana). Rdeči premik (z) je mogoče izračunati po formuli z = (λopazovana – λpočitek) / λpočitek
galaksija JADES-GS-z14-0
Skladno s tem so galaksijo ponovno opazovali januarja 2024 z uporabo NIRCam (bližnje infrardeče kamere) in NIRSpec (bližnje infrardeči spektrograf). Spektralna analiza je zagotovila jasen dokaz, da je bila galaksija pri rdečem premiku 14.32, zaradi česar je najbolj oddaljena znana galaksija (prejšnji zapis najbolj oddaljene galaksije (JADES-GS-z13-0 pri rdečem premiku z = 13.2). Imenovali so jo JADES -GS-z14-0, svetleča galaksija na razdalji 13.5 milijard svetlobnih let. Poleg tega je bila velika več kot 1,600 svetlobnih let, kar je nakazovalo, da so vir njenega sijaja tudi količina zvezdne svetlobe Ni pričakovati, da bo galaksija, ki obstaja manj kot 300 milijonov let po velikem poku, imela takšne lastnosti.
Čakalo jih je še več presenečenj.
Raziskovalcem je uspelo zaznati JADES-GS-z14-0 pri daljših valovnih dolžinah z uporabo MIRI (Mid-Infrared Instrument). To je pomenilo zajemanje emisij v območju vidne svetlobe iz te galaksije, ki so bile premaknjene v rdečo, da so postale izven dosega za instrumente blizu infrardečega spektra. Analiza je pokazala prisotnost ioniziranega kisika, kar kaže na visoko kovinskost zvezde. To je mogoče le takrat, ko so številne generacije zvezd že preživele svojo življenjsko pot.
Prve zvezde v vesolju vsebujejo nič ali zelo malo kovin. Imenujejo se Pop III zvezde ali Population III zvezde. Nizkometalne zvezde so zvezde Pop II. Mlade zvezde imajo visoko vsebnost kovin in se imenujejo "Pop I zvezde" ali solarne kovinske zvezde. Sonce je z razmeroma visoko kovinskostjo 1.4 % nova zvezda. V astronomiji se vsak element, težji od helija, šteje za kovino. Kemične nekovine, kot so kisik, dušik itd., so v kozmološkem kontekstu kovine. Zvezde postanejo kovinsko obogatene v vsaki generaciji po dogodku supernove. Povečanje vsebnosti kovin v zvezdah kaže na mlajšo starost.
Glede na to, da je starost galaksije JADES-GS-z14-0 manj kot 300 milijonov let po velikem poku, bi morale biti zvezde v tej galaksiji zvezde Pop III z ničelno vsebnostjo kovin. Vendar je MIRI JWST ugotovil prisotnost kisika.
Glede na zgornja opažanja in ugotovitve lastnosti galaksije JADES-GS-z14-0 zgodnjega vesolja niso v skladu s trenutnim razumevanjem nastanka galaksij. Kako bi lahko galaksijo s takšnimi lastnostmi datirali na 290 milijonov let po Bing Bangu? Možno je, da bo v prihodnosti odkritih veliko takih galaksij. Morda je v kozmični zori obstajala raznolikost galaksij.
***
Reference:
- Carniani, S., sod. 2024. Spektroskopska potrditev dveh svetlečih galaksij pri rdečem premiku 14. Nature (2024). Objavljeno 24. julija 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Prednatis pri axRiv. Oddano 28. maja 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, sod 2024. Fotometrična detekcija JWST/MIRI pri 7.7 μm zvezdnega kontinuuma in meglična emisija v galaksiji pri z>14. Prednatis pri axRiv. Oddano 28. maja 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- Vesoljski teleskop NASA James Webb. Prvi poudarki – NASA-jev vesoljski teleskop James Webb odkril najbolj oddaljeno znano galaksijo. Objavljeno 30. maja 2024. Na voljo na https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
