Podobnie jak ludzkie nastolatki, nastoletnie galaktyki są niezdarne, doświadczają gwałtownego wzrostu i lubią metale ciężkie – to znaczy nikiel.
Zespół astrofizyków pod kierownictwem Northwestern University właśnie przeanalizował pierwsze wyniki badania CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae), programu wykorzystującego należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) do badania chemii odległych galaktyk.
Według wczesnych wyników tak zwane „nastoletnie galaktyki” – które powstały od dwóch do trzech miliardów lat po Wielkim Wybuchu – są niezwykle gorące i zawierają nieoczekiwane pierwiastki, takie jak nikiel, które są niezwykle trudne do obserwacji.
Wyniki badań zostaną opublikowane w poniedziałek (20 listopada) w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters. Jest to pierwsze z serii przyszłych badań przeprowadzonych w ramach badania CECILIA.
„Próbujemy zrozumieć, jak galaktyki rosły i zmieniały się na przestrzeni 14 miliardów lat kosmicznej historii” – powiedziała Allison Strom z Northwestern, która kierowała badaniami. „Wykorzystując JWST, nasz program skupia się na nastoletnich galaktykach, które przechodzą przez trudny okres gwałtownego wzrostu i zmian. Nastolatki często mają doświadczenia, które determinują ich trajektorie wkraczania w dorosłość. W przypadku galaktyk jest tak samo”.
Strom, jeden z głównych badaczy badania CECILIA Survey, jest adiunktem fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członkiem Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych (CIERA) w Northwestern. Strom współprowadzi badanie CECILIA wraz z Gwen Rudie, pracownikiem naukowym w Obserwatoriach Carnegie.
„Chemiczne DNA” daje wgląd w powstawanie galaktyk
Nazwany na cześć Cecilii Payne-Gaposchkin, jednej z pierwszych kobiet, które uzyskały stopień doktora. w astronomii przegląd CECILIA obserwuje widma (lub ilość światła na różnych długościach fal) odległych galaktyk. Strom porównuje widma galaktyki do jej „chemicznego DNA”. Badając to DNA w „nastoletnich” latach galaktyki, badacze mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób ono rosło i jak ewoluuje w bardziej dojrzałą galaktykę.
Na przykład astrofizycy wciąż nie rozumieją, dlaczego niektóre galaktyki wydają się „czerwone i martwe”, podczas gdy inne, jak Droga Mleczna, wciąż tworzą gwiazdy. Widmo galaktyki może ujawnić jej kluczowe pierwiastki, takie jak tlen i siarka, które dają wgląd w to, co galaktyka robiła wcześniej i co może zrobić w przyszłości.
„Te nastoletnie lata są naprawdę ważne, ponieważ wtedy następuje największy rozwój” – powiedziała Strom. „Badając to, możemy rozpocząć badanie fizyki, która spowodowała, że Droga Mleczna wygląda jak Droga Mleczna – i dlaczego może wyglądać inaczej niż sąsiednie galaktyki”.
W nowym badaniu Strom i jej współpracownicy wykorzystali JWST do obserwacji 33 odległych, młodocianych galaktyk przez nieprzerwane 30 godzin latem ubiegłego roku. Następnie połączyli widma 23 z tych galaktyk, aby stworzyć złożony obraz.
„To rozmywa szczegóły poszczególnych galaktyk, ale daje nam lepszy obraz przeciętnej galaktyki. Pozwala nam także dostrzec słabsze cechy” – powiedział Strom. „Jest znacznie głębsze i bardziej szczegółowe niż jakiekolwiek widmo, które moglibyśmy zebrać za pomocą naziemnych teleskopów galaktyk z tego okresu w historii Wszechświata”.
Spectra zaskakuje
Ultragłębokie widmo ujawniło osiem różnych pierwiastków: wodór, hel, azot, tlen, krzem, siarkę, argon i nikiel. Wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu powstają wewnątrz gwiazd. Zatem obecność pewnych pierwiastków dostarcza informacji o powstawaniu gwiazd w trakcie ewolucji galaktyki.
Choć Strom spodziewała się zobaczyć lżejsze pierwiastki, szczególnie zaskoczyła ją obecność niklu. Nikiel, cięższy od żelaza, jest rzadki i niezwykle trudny do obserwacji.
„Nigdy, nawet w najśmielszych snach nie wyobrażałem sobie, że zobaczymy nikiel” – powiedział Strom. „Nawet w pobliskich galaktykach ludzie tego nie obserwują. W galaktyce musi być wystarczająca ilość pierwiastka i odpowiednie warunki, aby go obserwować. Nikt nigdy nie mówi o obserwacji niklu. Pierwiastki muszą świecić w gazie, aby abyśmy mogli je zobaczyć. Abyśmy mogli zobaczyć nikiel, w gwiazdach w galaktykach może być coś wyjątkowego.
Kolejna niespodzianka: nastoletnie galaktyki były niezwykle gorące. Badając widma, fizycy mogą obliczyć temperaturę galaktyki. Podczas gdy w najgorętszych skupiskach galaktyk temperatura może osiągnąć ponad 9700 stopni Celsjusza (17 492 stopni Fahrenheita), w nastoletnich galaktykach temperatura przekracza 13 350 stopni Celsjusza (24 062 stopni Fahrenheita).
„To tylko dodatkowy dowód na to, jak różne były galaktyki, gdy były młodsze” – powiedział Strom. „Ostatecznie fakt, że widzimy wyższą charakterystyczną temperaturę, jest po prostu kolejnym przejawem odmiennego chemicznego DNA, ponieważ temperatura i skład chemiczny gazu w galaktykach są ze sobą nierozerwalnie powiązane”.
Badanie „CECILIA: Słabe widmo linii emisyjnej z ~2-3 gwiazdotwórczych galaktyk” zostało wsparte przez NASA, Fundację Pittsburgh i Research Corporation for Scientific Advancement. Dane uzyskano z Archiwum Mikulskiego dla Teleskopów Kosmicznych w Instytucie Naukowym Teleskopów Kosmicznych oraz z Obserwatorium WM Kecka.