Naukowcy wykryli złożone cząsteczki organiczne w galaktyce oddalonej o ponad 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi – najdalszej galaktyce, w której obecnie wiadomo, że te cząsteczki istnieją. Dzięki możliwościom niedawno wystrzelonego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i dokładnym analizom przeprowadzonym przez zespół badawczy, nowe badanie dostarcza krytycznego wglądu w złożone interakcje chemiczne, które zachodzą w pierwszych galaktykach we wczesnym wszechświecie.
Profesor astronomii i fizyki z University of Illinois Urbana-Champaign Joaquin Vieira i doktorant Kedar Phadke współpracowali z naukowcami z Texas A&M University i międzynarodowym zespołem naukowców w celu rozróżnienia sygnałów w podczerwieni generowanych przez niektóre z bardziej masywnych i większych ziaren pyłu w galaktyce i te z nowo zaobserwowanych cząsteczek węglowodorów.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
„Ten projekt rozpoczął się, gdy byłem na studiach podyplomowych, badając trudne do wykrycia, bardzo odległe galaktyki przesłonięte pyłem” – powiedział Vieira. „Ziarna pyłu pochłaniają i reemitują około połowy promieniowania gwiazdowego wytwarzanego we Wszechświecie, sprawiając, że światło podczerwone z odległych obiektów jest niezwykle słabe lub niewykrywalne przez naziemne teleskopy”.
W nowym badaniu JWST otrzymał impuls od tego, co naukowcy nazywają „szkłem powiększającym natury” – zjawisko zwane soczewkowaniem grawitacyjnym. „To powiększenie ma miejsce, gdy dwie galaktyki są prawie idealnie wyrównane z ziemskiego punktu widzenia, a światło z galaktyki tła jest wypaczane i powiększane przez galaktykę pierwszego planu do kształtu pierścienia, znanego jako pierścień Einsteina” – powiedział Vieira.
Zespół skupił JWST na SPT0418-47 – obiekcie odkrytym za pomocą Teleskopu Bieguna Południowego National Science Foundation i wcześniej zidentyfikowanym jako galaktyka przesłonięta pyłem, powiększona około 30 do 35 razy przez soczewkowanie grawitacyjne. Naukowcy stwierdzili, że SPT0418-47 znajduje się 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi, co odpowiada czasowi, w którym Wszechświat miał mniej niż 1,5 miliarda lat, czyli około 10% obecnego wieku.
„Zanim uzyskaliśmy dostęp do połączonej mocy soczewkowania grawitacyjnego i JWST, nie mogliśmy ani zobaczyć, ani przestrzennie rozdzielić rzeczywistej galaktyki tła przez cały pył” – powiedział Vieira.
Dane spektroskopowe z JWST sugerują, że przesłonięty gaz międzygwiazdowy w SPT0418-47 jest wzbogacony w ciężkie pierwiastki, co wskazuje, że generacje gwiazd już żyły i umierały. Konkretny związek, który wykryli naukowcy, to rodzaj cząsteczki zwanej wielopierścieniowym węglowodorem aromatycznym lub PAH. Na Ziemi cząsteczki te można znaleźć w spalinach wytwarzanych przez silniki spalinowe lub pożary lasów. Naukowcy stwierdzili, że te cząsteczki organiczne, składające się z łańcuchów węglowych, są uważane za podstawowe elementy budulcowe najwcześniejszych form życia.
„To, co mówią nam teraz te badania – i wciąż się uczymy – to to, że możemy zobaczyć wszystkie regiony, w których znajdują się te mniejsze ziarna pyłu – regiony, których nigdy nie mogliśmy zobaczyć przed JWST” – powiedział Phadke. „Nowe dane spektroskopowe pozwalają nam obserwować skład atomowy i molekularny galaktyki, dostarczając bardzo ważnych informacji na temat powstawania galaktyk, ich cyklu życia i sposobu ich ewolucji”.
„Nie spodziewaliśmy się tego” – powiedział Vieira. „Wykrywanie tych złożonych cząsteczek organicznych z tak dużej odległości zmienia zasady gry w przyszłych obserwacjach. Ta praca to dopiero pierwszy krok i dopiero teraz uczymy się, jak jej używać i poznajemy jej możliwości. Jesteśmy bardzo podekscytowani widząc, jak to się rozgrywa”.
„To niezwykle fajne, że galaktyki, które odkryłem podczas pisania mojej pracy magisterskiej, pewnego dnia będą obserwowane przez JWST” – powiedział Vieira. „Jestem wdzięczny amerykańskim podatnikom, NSF i NASA za finansowanie i wspieranie zarówno SPT, jak i JWST. Bez tych instrumentów to odkrycie nigdy nie mogłoby zostać dokonane”.
Vieira jest także dyrektorem Center for AstroPhysical Surveys, finansowanego przez National Center for Supercomputing Applications w Illinois. Phadke jest absolwentem CAPS.
Space Telescope Science Institute obsługuje JWST pod kierownictwem Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., w ramach kontraktu NASA NAS 5-03127.