Astrofizičari koji rade sa svemirskim teleskopom Džejms Veb (JVST) pronašli su iznenađujuću količinu metala u galaksiji samo 350 miliona godina nakon Velikog praska.
Kako se to uklapa u naše razumevanje Univerzuma?
Poreklo prvih metala Univerzuma je temeljno pitanje u astrofizici.
Ubrzo nakon Velikog praska, Univerzum je skoro u potpunosti sastavljen od vodonika, najjednostavnijeg elementa. Bilo je malo helijuma, još manje litijuma, a možda i beskonačno mala količina berilijuma. Kada pogledate periodni sistem elemenata, to su prva četiri.
U astronomiji se svi elementi teži od vodonika i helijuma nazivaju metalima.
Metali se proizvode u zvezdama i nigde drugde (osim male količine proizvedene samim Velikim praskom).
Praćenje formiranja metala Univerzuma od Velikog praska do danas jedno je od osnovnih zadataka astrofizike.
Metalnost je fundamentalni koncept u našem proučavanju Univerzuma. Bez metala, kamenite planete se ne mogu formirati. Ne može ni život. Tokom uzastopnih generacija zvezda, metaličnost Univerzuma se povećavala. Dakle, postoji osnovna putanja koja potiče od prvih metala i vodi direktno do nas.
Proučavanje drevnih galaksija jedno je od primarnih zadataka svemirskog teleskopa Džejms Veb. JVST Advanced Deep Ektragalactic Survei (JADES) je ispitao region neba tražeći slabe, rane galaksije. Gledajući tako daleko u prošlost na rane galaksije Univerzuma, JVST baca svetlo na drevnu metaličnost.
Tim istraživača koji je radio sa JADES opservacijama ispitao je galaksiju samo 350 miliona godina nakon Velikog praska i pronašao ugljenik. Možda su takođe pronašli kiseonik i neon, sve metale u astronomiji.
Njihova otkrića nalaze se u novom radu pod nazivom ŽAD: Obogaćivanje ugljenikom 350 miliona godina nakon Velikog praska u galaksiji bogatoj gasom. Glavni autor je Frančesko D’Eugenio, post-doc astrofizičar na Kavli institutu za kosmologiju u Kembridžu.
Prve zvezde koje su nastale u Univerzumu nazivaju se zvezde Populacije III. To su najstarije zvezde, i bile su masivne, blistave i vruće, gotovo bez metala. Mala količina metala koju su držali došla je od prvih supernova među njihovim brojem.
Veliki deo našeg znanja o zvezdama Populacije III je teoretski jer je ove drevne zvezde, u njihovim drevnim galaksijama, izuzetno teško posmatrati. Ali JVST je sposoban za to. Ne može da vidi pojedinačne zvezde, ali njegov moćni NIRSpec (Near Infrared Spectograph) instrument može da detektuje različite elemente u galaksiji po njihovim svetlosnim potpisima.
Ovo novo istraživanje je zasnovano na galaksiji na z=12,5 u blizini Kosmičke zore, kritične ere u istoriji Univerzuma. Kada su istraživači proučavali zapažanja JVST-a, otkrili su neočekivanu količinu ugljenika u galaksiji. Ili je u međuzvezdanom mediju (ISM) ili cirkumgalaktičkom mediju (CGM).
„Ovo je najudaljenija detekcija prelaza metala i najudaljenije određivanje crvenog pomaka preko emisionih linija“, objašnjavaju oni. To je takođe „najudaljeniji dokaz hemijskog obogaćivanja“ koji je do sada pronađen.
Ova detekcija se direktno sudara sa našim razumevanjem zvezda III populacije bez metala.
„Otkrivanje C iii – i njegove visoke EV (ekvivalentne širine) – isključuje scenarije netaknutih zvezdanih populacija“, pišu autori.
Ako je Veb isključio postojanje netaknutih zvezda III populacije bez metala, to je velika vest. To je još jedan primer moćnog svemirskog teleskopa koji menja naša najbolja objašnjenja za Univerzum koji vidimo oko nas.
Ali to nije sasvim šokantno; postojanje zvezda populacije III je teorijsko. Uzimajući u obzir sve ostalo što znamo o Univerzumu, njihovo postojanje je imalo smisla.
Ali zvezde populacije III nikada nisu bile izvesne.
Kada se ovako nešto otkrije, naučnici se trude da razmotre svako drugo moguće objašnjenje za ono što vide. Da li zaista vide ugljenik u zvezdama u ovoj dalekoj, drevnoj galaksiji? Ili bi nešto drugo moglo da stoji iza ovih emisija?
Drevna galaksija u sebi ima više od samo zvezda. Takođe je dom supermasivne crne rupe (SMBH). Kada se SMBH hrani materijom, može da blista kao aktivna galaktička jezgra (AGN). Taj svetlosni signal bi mogao biti ono što JVST vidi.
„Štaviše, u ovoj galaksiji identifikovana je supermasivna crna rupa koja se povećava, što sugeriše da bi neobične hemijske količine mogle biti prvenstveno povezane sa njenim nuklearnim regionom“, objašnjavaju istraživači.
Postoji još jedan potencijalni izvor ugljenika u galaksiji. To su AGB zvezde — asimptotske džinovske zvezde grana. AGB zvezde nisu velike eksplozivne zvezde kao što su prethodnici supernova, ali su velike zvezde koje su napustile glavnu sekvencu. U poređenju sa supernovama, AGB zvezde proizvode metale nežno.
Ali treba mnogo vremena da se zvezda razvije u AGB zvezdu. Kada je Univerzum bio star samo 350 miliona godina, nijedna zvezda nije živela dovoljno dugo da bi postala AGB.
„AGB zvezde ne mogu doprineti obogaćivanju ugljenika u ovim ranim epohama“, pišu autori.
Na kraju, istraživači izveštavaju o detekciji ugljenika, ali ne mogu da nam kažu odakle je tačno došao. Oni mogu biti „nasleđe prve generacije supernova iz roda Populacije III“, pišu oni.
JVST je bio gurnut do svojih granica da vidi ovu ranu galaksiju. „Ovo otkrivanje najudaljenijeg metalnog prelaza, koji je dao tako dragocene informacije o najranijim fazama hemijskog obogaćivanja, zahtevalo je veoma dugo izlaganje“, objašnjavaju autori. Bilo je potrebno 65 sati JVST vremena da se prikupe ovi podaci zbog ekstremne slabosti galaksije.
Čak i sa svim tim vremenom posmatranja, istraživači mogu doći samo do privremenih objašnjenja za metalnost koju vide. Nije baš praktično koristiti 65 sati JVST vremena za spektroskopsko proučavanje galaksije, ali to je ono što JVST treba da uradi za ovu vrstu precizne spektroskopije. To se može promeniti u budućnosti.
„Međutim, u budućnosti, istraživanja velikih površina i gravitaciona sočiva mogu pomoći u identifikaciji više galaksija visokog crvenog pomaka koje su dovoljno svetle za duboko spektroskopsko praćenje sa kraćim ekspozicijama“, pišu istraživači.
Kada i ako se to dogodi, astrofizičari će imati mnogo traženu veću veličinu uzorka. Sa tim vrednim podacima u ruci, možda mogu doći do čvršćeg objašnjenja za ovo iznenađujuće otkriće.
