Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, badacze z Uniwersytetu w Kopenhadze jako pierwsi zaobserwowali powstawanie trzech najwcześniejszych galaktyk we wszechświecie ponad 13 miliardów lat temu. Sensacyjne odkrycie wnosi ważną wiedzę o wszechświecie i zostało teraz opublikowane w czasopiśmie Science.
Po raz pierwszy w historii astronomii badacze z Instytutu Nielsa Bohra byli świadkami narodzin trzech absolutnie najwcześniejszych galaktyk we wszechświecie, gdzieś pomiędzy 13,3 a 13,4 miliarda lat temu.
Odkrycia dokonano za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który sprowadził do nas na Ziemię pierwsze „obserwacje na żywo” formujących się galaktyk.
Za pomocą teleskopu badacze byli w stanie zobaczyć sygnały z dużych ilości gazu, które gromadzą się i osadzają na powstającej minigalaktyce. Chociaż zgodnie z teoriami i symulacjami komputerowymi w ten sposób powstają galaktyki, nigdy nie zaobserwowano takiego zjawiska.
„Można powiedzieć, że są to pierwsze „bezpośrednie” obrazy powstawania galaktyk, jakie kiedykolwiek widzieliśmy. Podczas gdy James Webb pokazywał nam wcześniej wczesne galaktyki na późniejszych etapach ewolucji, tutaj jesteśmy świadkami ich narodzin, a tym samym budowę pierwszych układów gwiezdnych we wszechświecie” – mówi adiunkt Kasper Elm Heintz z Instytutu Nielsa Bohra, który kierował nowym badaniem.
Galaktyki powstałe wkrótce po Wielkim Wybuchu
Naukowcy szacują, że narodziny trzech galaktyk miały miejsce mniej więcej 400–600 milionów lat po Wielkim Wybuchu – eksplozji, od której wszystko się zaczęło. Chociaż wydaje się to długim okresem czasu, odpowiada to galaktykom powstającym podczas pierwszych trzech do czterech procent całkowitego czasu życia Wszechświata wynoszącego 13,8 miliarda lat.
Krótko po Wielkim Wybuchu Wszechświat był ogromnym, nieprzezroczystym gazem złożonym z atomów wodoru – w przeciwieństwie do dzisiejszego, gdzie nocne niebo jest upstrzone warstwą wyraźnie określonych gwiazd.
„W ciągu kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu powstały pierwsze gwiazdy, zanim gwiazdy i gaz zaczęły łączyć się w galaktyki. To jest początek procesu, który widzimy w naszych obserwacjach” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Darach Watson.
Narodziny galaktyk miały miejsce w okresie historii wszechświata znanym jako epoka rejonizacji, kiedy energia i światło niektórych z pierwszych galaktyk przedarły się przez mgły gazu wodorowego.
To właśnie te duże ilości wodoru naukowcy uchwycili za pomocą widzenia w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jest to najodleglejszy pomiar zimnego, obojętnego gazu wodorowego, będącego budulcem gwiazd i galaktyk, odkryty dotychczas przez badaczy naukowych.
Zwiększa zrozumienie naszego pochodzenia
Badanie przeprowadził Kasper Elm Heintz w ścisłej współpracy między innymi z kolegami z pracy Darachem Watsonem, Gabrielem Brammerem i doktorantką Simone Vejlgaard z Cosmic Dawn Center w Instytucie Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze – ośrodka, którego deklarowanym celem jest aby zbadać i zrozumieć początek wszechświata. Ten najnowszy wynik znacznie przybliża ich do osiągnięcia tego celu.
Zespół badawczy złożył już wniosek o dłuższy czas obserwacji za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, mając nadzieję na rozwinięcie nowego wyniku i dowiedzenie się więcej o najwcześniejszej epoce powstawania galaktyk.
„Na razie chodzi o mapowanie naszych nowych obserwacji powstawania galaktyk z jeszcze większymi szczegółami niż wcześniej. Jednocześnie nieustannie staramy się przesuwać granicę odległości w głąb Wszechświata, którą możemy zobaczyć. Być może więc uda nam się to zrobić sięgniemy jeszcze dalej” – mówi Simone Vejlgaard.
Według badacza nowa wiedza przyczynia się do odpowiedzi na jedno z najbardziej podstawowych pytań ludzkości.
„Jedno z najbardziej podstawowych pytań, jakie my, ludzie, zawsze sobie zadajemy, brzmi: «Skąd pochodzimy?». Tutaj przedstawiamy nieco więcej odpowiedzi, rzucając światło na moment powstania niektórych z pierwszych struktur wszechświata Jest to proces, który będziemy badać dalej, aż – miejmy nadzieję – uda nam się dopasować do siebie jeszcze więcej elementów układanki” – podsumowuje profesor nadzwyczajny Gabriel Brammer.
Badanie przeprowadzili Kasper E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simone Vejlgaard, Anne Hutter, Victoria B. Strait, Jorryt Matthee, Pascal A. Oesch, Pall Jakobsson, Nial R. Tanvir, Peter Laursen, Rohan P. Naidu , Charlotte A. Mason, Meghana Killi, Intae Jung, Tiger Yu-Yang Hsiao, Abdurro'uf, Dan Coe, Pablo Arrabal Haro, Steven L. Finkelstein i Sune Toft.
Duńska część badań jest finansowana przez Duńską Narodową Fundację Badań i Fundację Carlsberga.
JAK ONI TO ZROBILI
Naukowcy byli w stanie zmierzyć powstawanie pierwszych galaktyk we wszechświecie, korzystając z wyrafinowanych modeli absorpcji światła z tych galaktyk przez gaz obojętny znajdujący się w nich i wokół nich. To przejście jest znane jako przejście Lyman-alfa.
Mierząc światło, badacze byli w stanie odróżnić gaz z nowo powstałych galaktyk od innych gazów. Pomiary te były możliwe jedynie dzięki niezwykle czułemu spektrografowi w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
O WCZESNYM WSZECHŚWIECIE
Wszechświat rozpoczął swoje „życie” około 13,8 miliarda lat temu w ogromnej eksplozji – Wielkim Wybuchu. Zdarzenie to doprowadziło do powstania wielu cząstek subatomowych, takich jak kwarki i elektrony. Cząstki te agregowały, tworząc protony i neutrony, które później połączyły się, tworząc jądra atomowe. Mniej więcej 380 000 lat po Wielkim Wybuchu elektrony zaczęły krążyć wokół jąder atomowych i stopniowo powstały najprostsze atomy wszechświata.
Pierwsze gwiazdy powstały po kilkuset milionach lat. W sercach tych gwiazd powstały większe i bardziej złożone atomy, które mamy wokół siebie.
Później gwiazdy połączyły się w galaktyki. Najstarsze znane nam galaktyki powstały około 3–400 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nasz własny Układ Słoneczny powstał około 4,6 miliarda lat temu – ponad 9 miliardów lat po Wielkim Wybuchu.