Naukowcy wykryli metale we wczesnej galaktyce

Astronomowie wykryli metale w galaktyce powstałej 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co stanowi najwcześniejsze wykrycie jakiegokolwiek pierwiastka w pierwotnym Wszechświecie innego niż wodór.

Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), naukowcy z University of Cambridge zaobserwowali bardzo młodą galaktykę we wczesnym Wszechświecie i odkryli, że zawiera ona zaskakujące ilości węgla, jednego z zalążków życia. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

W astronomii pierwiastki cięższe od wodoru i helu klasyfikowane są jako metale. Zdaniem naukowców, wczesny Wszechświat składał się prawie w całości z wodoru, najprostszego z pierwiastków, z niewielkimi ilościami helu i litu.

Zdaniem badaczy, każdy inny pierwiastek składający się na obserwowany dziś Wszechświat powstał wewnątrz gwiazdy. Kiedy eksplodują one jako supernowe, produkowane przez nie pierwiastki krążą po całej galaktyce, w której się znajdują, dając początek następnej generacji gwiazd. Z każdą nową generacją gwiazd i „gwiezdnego pyłu” powstawało więcej metali, a po miliardach lat kosmos ewoluował do punktu, w którym mógł wspierać skaliste planety takie jak Ziemia i życie jakie znamy.

Możliwość prześledzenia pochodzenia i ewolucji metali pomoże naukowcom zrozumieć, w jaki sposób Wszechświat przeszedł z zbudowanego prawie w całości z zaledwie dwóch pierwiastków chemicznych do niesamowitej złożoności, która jest obserwowana dzisiaj.

„Pierwsze gwiazdy są świętym Graalem ewolucji chemicznej. Ponieważ składają się one wyłącznie z pierwotnych pierwiastków, zachowują się zupełnie inaczej niż współczesne gwiazdy. Badając, jak i kiedy pierwsze metale uformowały się wewnątrz gwiazd, możemy ustalić ramy czasowe dla najwcześniejszych kroków na ścieżce, która doprowadziła do powstania życia” – mówi dr Francesco D’Eugenio z University of Cambridge.

Jak tłumaczą astronomowie, węgiel jest podstawowym pierwiastkiem w ewolucji Wszechświata, ponieważ może tworzyć ziarna pyłu, które zlepiają się razem, ostatecznie tworząc pierwsze planetozymale (małe ciało niebieskie zbudowane ze stałej materii, zalążek planety tworzący się we wczesnym etapie ewolucji układu planetarnego) i najwcześniejsze planety. Węgiel był również kluczem do powstania życia na Ziemi.

„Wcześniejsze badania sugerowały, że węgiel zaczął tworzyć się w dużych ilościach stosunkowo późno – około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Odkryliśmy jednak, że powstał on znacznie wcześniej – może być nawet najstarszym metalem ze wszystkich” – podkreśla profesor Roberto Maiolino University of Cambridge.

Astronomowie wykorzystali JWST do obserwacji bardzo odległej galaktyki – jednej z najodleglejszych galaktyk, jakie do tej pory zaobserwowano – powstałej zaledwie 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, ponad 13 miliardów lat temu. Galaktyka ta, jak wskazują badacze, jest zwarta i ma niewielką masę – około 100 tysięcy razy mniejszą niż Droga Mleczna.

„W momencie, gdy ją obserwujemy, jest to zaledwie zarodek galaktyki, ale może ewoluować w coś całkiem dużego, mniej więcej wielkości Drogi Mlecznej. Ale jak na tak młodą galaktykę, jest ona dość masywna” – mówi D’Eugenio.

Naukowcy wykorzystali spektrograf Webba w bliskiej podczerwieni (NIRSpec) do rozbicia światła pochodzącego z młodej galaktyki na spektrum kolorów. Różne pierwiastki pozostawiają różne chemiczne odciski palców w widmie galaktyki, co pozwoliło im określić jej skład chemiczny. Analiza widma, zdaniem astronomów, wykazała obecność węgla oraz prawdopodobnie tlenu i neonu, chociaż dalsze obserwacje będą wymagane w celu potwierdzenia obecności tych innych pierwiastków.

„Byliśmy zaskoczeni, widząc metale tak wcześnie we Wczechświecie, ponieważ uważano, że najwcześniejsze gwiazdy produkowały znacznie więcej tlenu niż węgla. Myśleliśmy, że pierwiastek ten został wzbogacony znacznie później, w wyniku zupełnie innych procesów, ale fakt, że pojawia się tak wcześnie, mówi nam, że pierwsze gwiazdy mogły działać zupełnie inaczej” – podkreśla powiedział Maiolino.

Według niektórych modeli, gdy najwcześniejsze gwiazdy eksplodowały jako supernowe, mogły uwolnić mniej energii niż początkowo oczekiwano. W takim przypadku, jak sugerują badacze węgiel, który znajdował się w zewnętrznej powłoce gwiazdy i był mniej związany grawitacyjnie niż tlen, mógł łatwiej uciec i rozprzestrzenić się po galaktyce, podczas gdy duża ilość tlenu spadła z powrotem i zapadła się w czarną dziurę.

Emil Gołoś