JWST har hittat en ung galax med en överraskande mängd metaller: ScienceAlert

By | November 22, 2023

Astrofysiker som arbetar med rymdteleskopet James Webb (JWST) har hittat en överraskande mängd metall i en galax bara 350 miljoner år efter Big Bang.

Hur stämmer det överens med vår förståelse av universum?

Ursprunget till de första metallerna i universum är en grundläggande fråga inom astrofysik.

Strax efter Big Bang bestod universum nästan helt av väte, det enklaste grundämnet. Det fanns en del helium, ännu mindre litium, och möjligen en oändligt liten mängd beryllium. När du tittar på grundämnenas periodiska system är det de fyra första.

Inom astronomi kallas alla grundämnen som är tyngre än väte och helium metaller.

Metaller produceras i stjärnor och ingen annanstans (förutom den lilla mängd som produceras av själva Big Bang).

Att spåra bildningen av metaller i universum från Big Bang till nutid är ett av astrofysikens grundläggande uppdrag.

Metallicitet är ett grundläggande begrepp i vår studie av universum. Utan metaller kan steniga planeter inte bildas. Inte heller livet. Under flera generationer av stjärnor har universums metallicitet ökat. Det finns alltså en underliggande bana som uppstår från de första metallerna och som leder direkt till oss.

Studiet av forntida galaxer är ett av James Webbs rymdteleskops huvuduppdrag. JWST:s Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) undersökte ett område på himlen för tidiga, svaga galaxer. Genom att se så långt tillbaka i tiden till universums första galaxer, kastar JWST ljus över uråldrig metallicitet.

Ett team av forskare som arbetade med JADES-observationer undersökte en galax bara 350 miljoner år efter Big Bang och hittade kol. De kan också ha hittat syre och neon, alla metaller inom astronomi.

Deras resultat finns i en ny artikel med titeln JADES: Kolanrikning 350 Myr efter Big Bang i en gasrik galax. Huvudförfattare är Francesco D’Eugenio, en postdoktoral astrofysiker vid Kavli Institute of Cosmology i Cambridge.

De första stjärnorna som bildas i universum kallas Population III-stjärnor.. De är de äldsta stjärnorna och var massiva, lysande och varma, nästan utan metaller. Den lilla mängd metaller de innehöll kom från de första supernovorna bland dem.

Mycket av vår kunskap om Population III-stjärnor är teoretisk eftersom dessa forntida stjärnor, i sina gamla galaxer, är extremt svåra att observera. Men JWST kan göra det. Den kan inte se enskilda stjärnor, men dess kraftfulla NIRSpec-instrument (nära-infraröd spektrograf) kan upptäcka olika element i galaxen genom deras tydliga ljussignaturer.

Denna nya forskning är baserad på en galax vid z=12,5 nära den kosmiska gryningen, en kritisk era i universums historia. När forskare studerade JWST-observationerna upptäckte de en oväntad mängd kol i galaxen. Det är i det interstellära mediet (ISM) eller det cirkumgalaktiska mediet (CGM).

“Detta är den längsta upptäckten av en metallisk övergång och den längsta bestämningen av det röda skiftet genom utsläppslinjer”, förklarar de. Det är också “det mest avlägsna beviset för kemisk anrikning” som hittills hittats.

Denna upptäckt kolliderar direkt med vår förståelse av metallfria population III-stjärnor.

“Detekteringen av C iii, och dess höga EW (ekvivalent bredd), utesluter scenarier med orörda stjärnpopulationer”, skriver författarna.

Om Webb har uteslutit existensen av orörda, metallfria population III-stjärnor, är det goda nyheter. Det är ytterligare ett exempel på det kraftfulla rymdteleskopet som vänder våra bästa förklaringar om universum vi ser omkring oss på huvudet.

Men det är inte helt chockerande; förekomsten av population III-stjärnor är teoretisk. Med tanke på allt vi vet om universum var dess existens vettigt.

Men population III-stjärnor var aldrig en säkerhet.

När något sådant här upptäcks försöker forskare överväga någon annan möjlig förklaring till vad de ser. Ser de verkligen kol i stjärnorna i denna gamla, avlägsna galax? Eller kan det ligga något annat bakom dessa utsläpp?

Den antika galaxen har mer än bara stjärnor. Det är också hem för ett supermassivt svart hål (SMBH). När en SMBH matas med materia kan den lysa starkt som en aktiv galaktisk kärna (AGN). Den ljussignalen kan vara vad JWST ser.

“Dessutom har ett växande supermassivt svart hål identifierats i denna galax, vilket tyder på att det märkliga kemiska överflödet huvudsakligen kan vara associerat med dess kärnområde”, förklarar forskarna.

Det finns en annan potentiell källa till kol i galaxen. De är AGB-stjärnor, asymptotiska gigantiska grenstjärnor. AGB-stjärnor är inte stora exploderande stjärnor som supernovafader, utan de är stora stjärnor som har lämnat huvudsekvensen. Jämfört med supernovor producerar AGB-stjärnor metaller skonsamt.

Men det tar lång tid för en stjärna att utvecklas till en AGB-stjärna. När universum bara var 350 miljoner år gammalt hade ingen stjärna levt tillräckligt länge för att bli AGB.

“AGB-stjärnor kan inte bidra till kolanrikning vid dessa tidiga epoker”, skriver författarna.

I slutändan rapporterar forskarna att de detekterar kol, men de kan inte berätta exakt var det kom ifrån. De kan vara “arvet av den första generationen supernovor från stamfaderna till Population III”, skriver de.

JWST pressades till det yttersta för att se denna tidiga galax. “Denna upptäckt av den längsta metalliska övergången, som har gett så värdefull information om de tidiga faserna av kemisk anrikning, har krävt en mycket lång exponering”, förklarar författarna. Det tog 65 timmar med JWST att samla in dessa data på grund av galaxens extrema svaghet.

Även med all observationstid kan forskare bara komma med trevande förklaringar till metalliciteten de ser. Det är inte särskilt praktiskt att använda 65 timmars JWST-tid för att studera en galax spektroskopiskt, men det är vad JWST måste göra för den här typen av exakt spektroskopi. Det kan komma att ändras i framtiden.

“Men i framtiden kan undersökningar av stora ytor och gravitationslinser hjälpa till att identifiera fler galaxer med hög rödförskjutning som är tillräckligt ljusa för djup spektroskopisk övervakning med kortare exponeringar”, skriver forskarna.

När det händer kommer astrofysiker att ha den eftertraktade större provstorleken. Med den värdefulla informationen i handen kanske de kan komma med en fastare förklaring till detta överraskande fynd.

Denna artikel publicerades ursprungligen av Universe Today. Läs originalartikeln.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *