Dzięki wystrzeleniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba astronomowie mogą teraz cofnąć się w czasie tak daleko, że zbliżamy się do epoki, w której, jak sądzimy, powstały pierwsze galaktyki. Przez większą część historii Wszechświata galaktyki najwyraźniej wykazują ścisłą zależność między liczbą utworzonych gwiazd a liczbą ciężkich pierwiastków. Ale po raz pierwszy widzimy oznaki, że ta zależność między liczbą gwiazd i pierwiastków nie obowiązuje w przypadku najwcześniejszych galaktyk. Prawdopodobną przyczyną jest to, że galaktyki te po prostu są w trakcie tworzenia i nie miały jeszcze czasu na wytworzenie ciężkich pierwiastków.
Wszechświat jest pełen galaktyk – ogromnych zbiorów gwiazd i gazu – a kiedy zaglądamy w głąb kosmosu, widzimy je blisko i daleko. Ponieważ światło docierało do nas dłużej, im dalej znajduje się galaktyka, zasadniczo spoglądamy wstecz w czasie, co pozwala nam skonstruować wizualną narrację o ich ewolucji w historii Wszechświata.
Obserwacje pokazały nam, że galaktyki przez ostatnie 12 miliardów lat – czyli 5/6 wieku Wszechświata – żyły w formie równowagi: wydaje się, że istnieje fundamentalny, ścisły związek pomiędzy z jednej strony, ile gwiazd uformowały, a z drugiej strony, ile ciężkich pierwiastków uformowały. W tym kontekście „pierwiastki ciężkie” oznaczają wszystko, co jest cięższe od wodoru i helu.
Zależność ta ma sens, gdyż Wszechświat pierwotnie składał się wyłącznie z tych dwóch najlżejszych pierwiastków. Wszystkie cięższe pierwiastki, takie jak węgiel, tlen i żelazo, zostały stworzone później przez gwiazdy.
James Webb zagląda głębiej
Dlatego pierwsze galaktyki powinny być „nieskażone” ciężkimi pierwiastkami. Jednak do niedawna nie mogliśmy cofnąć się w czasie tak daleko. Oprócz tego, że jest daleko, powodem jest to, że im dłużej światło wędruje w przestrzeni, tym staje się bardziej czerwone. W przypadku najodleglejszych galaktyk trzeba patrzeć aż w podczerwoną część widma i dopiero wraz z wystrzeleniem Jamesa Webba dysponowaliśmy teleskopem wystarczająco dużym i czułym, aby widzieć jak dotąd.
A teleskop kosmiczny nie zawiódł: James Webb kilkoma z nich pobił swój własny rekord dla najodleglejszej galaktyki, a teraz wydaje się, że w końcu dotarliśmy do epoki, w której powstały niektóre z pierwszych galaktyk.
W nowym badaniu, opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie naukowym Nature Astronomy, zespół astronomów z duńskiego centrum badawczego Cosmic Dawn Center w Instytucie Nielsa Bohra i DTU Space w Kopenhadze odkrył coś, co rzeczywiście wydaje się być jednymi z pierwszych galaktyk które wciąż są w fazie tworzenia.
„Do niedawna badanie, jak powstają pierwsze galaktyki we wczesnym Wszechświecie, było prawie niemożliwe, ponieważ po prostu nie dysponowaliśmy odpowiednim instrumentarium. Teraz całkowicie się to zmieniło wraz z wystrzeleniem Jamesa Webba” – mówi Kasper Elm Heintz , kierownik badania i adiunkt w Centrum Cosmic Dawn.
Załamuje się podstawowa relacja
Zależność pomiędzy całkowitą masą gwiazd galaktyki a ilością ciężkich pierwiastków jest nieco bardziej złożona. To, jak szybko galaktyka produkuje nowe gwiazdy, również ma coś do powiedzenia. Ale jeśli to poprawisz, otrzymasz piękną, liniową zależność: im masywniejsza galaktyka, tym więcej ciężkich pierwiastków.
Jednak najnowsze obserwacje podważają tę zależność.
„Kiedy analizowaliśmy światło z 16 z tych pierwszych galaktyk, zobaczyliśmy, że zawierają one znacznie mniej ciężkich pierwiastków w porównaniu z tym, czego można by się spodziewać po ich masach gwiazd i liczbie nowych gwiazd, które wytworzyły” – mówi Kasper Elm Heintz.
W rzeczywistości okazało się, że galaktyki zawierają średnio czterokrotnie mniej ciężkich pierwiastków niż w późniejszym Wszechświecie. Wyniki te wyraźnie kontrastują z obecnym modelem, w którym galaktyki ewoluują w formie równowagi przez większą część historii Wszechświata.
Przewidywane przez teorie
Wynik nie jest jednak całkowicie zaskakujący. Teoretyczne modele powstawania galaktyk, oparte na szczegółowych programach komputerowych, rzeczywiście przewidują coś podobnego. Ale teraz to widzieliśmy!
Wyjaśnienie zaproponowane przez autorów artykułu jest po prostu takie, że jesteśmy świadkami procesu tworzenia galaktyk. Grawitacja zgromadziła pierwsze grudki gazu, z których zaczęły tworzyć się gwiazdy.
Gdyby galaktyki żyły wówczas w spokoju, gwiazdy szybko wzbogaciłyby je w ciężkie pierwiastki. Jednak w tamtym czasie pomiędzy galaktykami znajdowały się duże ilości świeżego, niezanieczyszczonego gazu, spływającego do galaktyk szybciej, niż gwiazdy były w stanie nadążyć.
„Wynik daje nam pierwszy wgląd w najwcześniejsze etapy powstawania galaktyk, które wydają się być bardziej powiązane z gazem pomiędzy galaktykami, niż sądziliśmy.
To jedna z pierwszych obserwacji Jamesa Webba na ten temat, więc wciąż czekamy, co mogą nam powiedzieć większe, bardziej wszechstronne obserwacje, które są obecnie przeprowadzane.
Nie ma wątpliwości, że wkrótce znacznie lepiej zrozumiemy, w jaki sposób galaktyki i pierwsze struktury rozpoczęły swoje powstawanie w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu” – podsumowuje Kasper Elm Heintz.
Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy.