Astronomowie złapali niezwykle starożytną galaktykę przebijającą welon ciemności, która spowiada wczesny wszechświat.
Zaskakujące jest każde światło z odległej galaktyki Jades-GS-Z13-1-LA Ziemia w ogóle. Fotony pochodzące z królestwa, które niedawno wylądowało na James Webb Space TelescopeLustra istniały, gdy wszechświat miał zaledwie 330 milionów lat – i w tym momencie w okresie dojrzewania wszechświat był mglisty i przyciemniony. Gęsta mgiełka gazu przepuszczała przestrzeń między gwiazdami, a nawet między galaktykami, pochłaniając światło gwiazd i tłumiąc cały wszechświat w ciemności.
Astronomowie nazywają ten okres Kosmiczne ciemne wiekia Jades-GS-Z13-1-LA to najwcześniejsze światło, jakie widzieliśmy (do tej pory) przekłuwania tej kosmicznej mgły.
Rzucanie światła na wielką chwilę dla wszechświata
Ponad 13,5 miliarda lat temu Jades-GS-Z13-1-LA płonęło jasno w świetle ultrafioletowym-ale ponieważ światło to przekroczyło miliardy lat świetlnych między swoją domową galaktyką a Mleczną drogą (które się rozciągały się dalej, dzięki temu, że wszechświat wciąż się rozwija.
W rezultacie światło ultrafioletowe odległej galaktyki stało się światłem podczerwieni, zanim dotarła do Droga Mleczna.
Podczerwień jest niewidoczna dla ludzi, ale rzeczywiście jest widoczna dla wrażliwych instrumentów na pokładzie JWST, takich jak kamera bliskiej podczerwieni, spektrometr bliskiej podczerwieni i instrument środkowej podczerwieni.
Astrofizyk z Uniwersytetu Kopenhagi Joris Witstok i jego koledzy wykorzystali dane z tych instrumentów, aby rzucić światło na tajemniczy okres w odległej przeszłości naszego wszechświata: epoka reionizacji. Znany również jako kosmiczny świt, był to moment, w którym światło pierwszych galaktyk zaczęło usunąć gęstą mgłę, która wypełniła wszechświat – i pochłonęło światło ultrafioletowe – około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu.
Jades-GS-Z13-1-LA ma rację u progu tego kluczowego momentu w historii naszego wszechświata. Jest to wśród pionierów reionizacji i jednej z najstarszych galaktyk, jakie faktycznie możemy zobaczyć. A to oznacza, że może nauczyć fizyków o tym, jak ten proces się wydarzył i jak ewoluowały najwcześniejsze galaktyki.
„Myślę, że jednym z najbardziej intrygujących pytań dotyczących reionizacji jest to, czy możemy wskazać pierwszą chwilę, w której zaczęła się wszechświat” – powiedział Space.com Witstok, „który powinien zbiegać się z powstawaniem pierwszej generacji gwiazd”.
Od kosmicznych ciemnych wieków po kosmiczny świt
Około 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu pierwsze gwiazdy połączyły się z pierwotnej chmury materii wszechświata. Fuzja nuklearna głęboko w tych gwiazdach wykluczała pierwsze światło gwiazd kosmosu. W tym samym czasie gęsta mgła wodoru z odrobiną helu zmieszała się w wszechświecie i wchłonęła światło gwiazd.
Kosmiczne ciemne wieki były w pełnym rozkwicie.
Wszechstronna mgła powstała, gdy wszechświat powoli ostygnął z ogromnego ciepła i nacisku Wielkiego Wybuchu. Początkowo cała sprawa, która pojawiła się z Wielki Wybuch Podskakował w postaci pozytywnie naładowanych protonów i negatywnie naładowanych elektronów (no cóż, protony prawdopodobnie zaczęły się jako kwarki, które ostatecznie przykleiły się do tworzenia protonów).
Cząstki te ostatecznie zwolniły na tyle, by złapać się nawzajem i tworzyć atomy. Razem atomy te stanowiły gęstą mgłę wodoru i helu, nie wykazując ładunku elektrycznego. Ta gęsta, neutralna mgła pochłonęła światło ultrafioletowe i działała jak kosmiczna zasłona zaciemniająca zawieszona między galaktykami. Ale promieniowanie ultrafioletowe zmieniło samą chmurę w tym procesie, odrzucając elektrony z atomów i nadając gazowi ładunek elektryczny (lub jonizując go, jak powiedzieliby fizycy).
Gaz jonizowany, zwany także osoczem, pochłania energię inaczej niż gaz neutralny, więc światło galaktyk w tym czasie zaczęło przebić zasłonę.
Światło z Jades-GS-Z13-1-LA stworzyłoby wokół siebie bańkę reonionizowanej plazmy. I do czasu, gdy światło przeszło poza granice tej bańki-według Witstok około 650 000 lat świetlnych-jego długości fali rozciągałyby się na tyle, że przynajmniej część z nich byłaby w stanie przejść przez chmurę międzygalaktyczną.
Astrofizyk z University of Melbourne Michele Trenti, który nie był zaangażowany w badanie, mówi Space.com, że jest ciekawa, w jaki sposób te bąbelki plazmy rosły i nakładały się z czasem podczas epoki reionizacji, dopóki cały wszechświat nie został ostatecznie ponownie odmiany – i przejrzystego.
Ogromne gwiazdy czy supermasywna czarna dziura?
Witstok i jego koledzy zauważyli, że światło z Jades-GS-Z13-1-LA wyglądało na błyszczące, niż się spodziewali (co oznacza, że więcej pochodzi z końca spektrum elektromagnetycznego o długości krótszej fali). Galaktyka wydziela również zaskakującą ilość rodzaju światła zwanego promieniowaniem Lyman-α. To promieniowanie Lyman-α ma miejsce, gdy neutralny wodór dostaje podmuch promieniowania ultrafioletowego, które podnieca jego elektron. Gdy elektron osiada z powrotem, wypuszcza tę energię jako promieniowanie Lymana-α.
Obecność tak dużej ilości Lymana-α w spektrum galaktyki sugeruje, że bombarduje otaczający wodór dużą ilością promieniowania ultrafioletowego.
„Te dwa połączone fakty sprawiają, że galaktyka jest wyjątkowa (a zatem zaskakująca)”, mówi Trenti, „i [they’re] niezgodne z oczekiwaniami od typowych galaktyk, które widzimy na końcu reionizacji [around 0.8 billion to 1 billion years after the Big Bang]. “
Wyjaśnienie zaskakująco energicznego blasku galaktyki wymaga czegoś innego zaskakującego: albo Jades-GS-Z13-1-LA tętnia z niezwykle masywnymi, gorącymi niebieskimi gwiazdami, albo ma niezwykle ogromne Supermasywna czarna dziura w centrum, które aktywnie pochłania gaz.
Jeśli zobaczymy światło z miliardów gwiazd galaktyki, te gwiazdy musiałyby być ogromne i gorące: około 15 razy cieplej niż słońce i ponad sto razy masywne.
Z drugiej strony, jeśli widzimy światło z nadrzędnej supermasowej czarnej dziury, musiałaby być jeszcze bardziej masywna niż ta w sercu naszej Drogi Mlecznej, która szczyci się masą około 4 milionów słońca. W przypadku większości modeli tego, jak powstały galaktyki (i supermasywne czarne dziury w ich centrach), to szokujący pomysł: tak wcześnie w historii naszego wszechświata, żadna supermasywna czarna dziura nie powinna mieć czasu na wyhodowanie do tak gigantycznego rozmiaru.
„Istnieją pewne modele teoretyczne, w których można by się tego spodziewać, więc gdyby tak było, może mieć bardzo ważne implikacje dla takich teorii dla wczesnej formacji czarnych dziur”, mówi Witstok.
W przypadku Trenti jest to jedno z najciekawszych pytań dotyczących epoki reionizacji: „Jakie są źródła promieniowania, które przyczyniają się do reionizacji? Czy proces napędzany przez normalne gwiazdy, egzotyczne gwiazdy lub akretację czarnych otworów?”
Odpowiedź może nam powiedzieć coś o tym, jak wczesne galaktyki powstały i ewoluowały w takie jak nasza Droga Mleczna i jej całkowicie współczesni sąsiedzi.
Pozostaje kosmiczna tajemnica – na razie
Ale Witstok i jego koledzy nadal nie mają wystarczających informacji, aby rozwiązać tę szczególną tajemnicę.
„To odkrycie zaczyna się rzucić światło, gdy rozpoczęła się reionizacja, ale jest to tylko podgląd, który wywołuje ciekawość, trudno jest robić naukę z próbką tylko jednego obiektu” – powiedział Trenti.
Witstok zgadza się, ale jest optymistą na znalezienie większej liczby galaktyk z progu epoki reionizacji – i jak dotąd JWST przekracza granice, jak daleko mogą zobaczyć astronomowie z czasem.
„Jestem pewien, że w ciągu następnych lat znajdziemy przykłady jeszcze bardziej odległych galaktyk o podobnych cechach”, powiedział Witstok. „Kolejne kroki obejmują bardziej szczegółowo zbadanie tej galaktyki, przy czym nowe obserwacje zostały już uzyskane i bardziej zaplanowane w najbliższej przyszłości, ale także znalezienie większej liczby przykładów galaktyk z bardzo jasnym promieniowaniem Lyman-α bardzo wcześnie”.
Jeśli astronomowie mogą uzyskać bardziej szczegółowe pomiary spektrum światła pochodzącego z galaktyki, mogą być w stanie zmierzyć, ile helu, tlenu i węgla są zaangażowane w wytwarzanie światła. Pozwoli im to porównać pomiary JWST z komputerowymi modelami fizyki i zobaczą, które wyjaśnienie najlepiej pasuje do danych.
Badanie zostało opublikowane 26 marca W czasopiśmie Nature.
