Galaksija iz ranih faza svemira neočekivano bogata metalima

U nedavnom istraživanju koje je provedeno uz pomoć Svemirskog teleskopa James Webb (JWST), astrofizičari su došli do zapanjujućeg otkrića: u jednoj od najranijih galaksija, formiranoj samo 350 milijuna godina nakon Velikog praska, pronađene su iznenađujuće količine metala. Ovaj pronalazak postavlja nova pitanja o našem razumijevanju svemira i njegovog razvoja.

U samim počecima svemira, nakon Velikog praska, dominirali su jednostavni elementi poput vodika, uz tragove helija, litija i potencijalno berilija – prva četiri elementa periodnog sustava. U astronomiji, elementi teži od vodika i helija klasificiraju se kao metali, a njihovo postojanje povezano je isključivo s procesima unutar zvijezda i prvotnim događajima Velikog praska. Razumijevanje kako i kada su se metali formirali u svemiru ključno je za astrofiziku.

Prisutnost metala neophodna za formiranje stjenovitih planeta

Metalnost, odnosno prisutnost metala, neophodna je za formiranje stjenovitih planeta i, posljedično, za nastanak života. Kroz generacije zvijezda, metalnost svemira postepeno se povećavala, kreirajući putanju koja vodi od prvih metala do sadašnjeg stanja svemira.

Jedan od glavnih ciljeva Svemirskog teleskopa James Webb je istraživanje drevnih galaksija. U okviru projekta Naprednog dubokog izvangalaktičkog istraživanja (JADES), JWST je analizirao određene dijelove neba u potrazi za slabo svijetlim, ranim galaksijama. Proučavanjem ovih dalekih nebeskih tijela, teleskop pruža uvid u metalnost svemira u njegovim najranijim fazama.

Grupa istraživača koja je radila s podacima JADES-a otkrila je, u galaksiji koja postoji već 350 milijuna godina nakon Velikog praska, prisutnost ugljika te potencijalno i kisika i neona – elemenata smatranih metalima u astronomiji. Rezultati istraživanja su dostupni ovdje. Vodeći autor rada je Francesco D’Eugenio, postdoktorski istraživač na Kavli institutu za kosmologiju na Sveučilištu u Cambridgeu.

Prve zvijezde formirane u svemiru, poznate kao zvijezde Populacije III, bile su masivne, sjajne i vruće, s gotovo nepostojećim metalima. Jedina prisutnost metala u njima bila je rezultat prvih supernova. Većina našeg znanja o zvijezdama Populacije III temelji se na teoriji, budući da su ove zvijezde, smještene u drevnim galaksijama, izuzetno teške za promatrati. Međutim, JWST je sposoban za takva promatranja zahvaljujući svom moćnom instrumentu NIRSpec, koji detektira različite elemente u galaksiji na temelju njihovih svjetlosnih potpisa.

Kozmička zora

Ova studija usredotočila se na galaksiju s crvenim pomakom z=12.5, smještenu u razdoblju poznatom kao Kozmička zora, koje je ključno za razumijevanje povijesti svemira. Analizirajući podatke JWST-a, istraživači su otkrili neočekivanu količinu ugljika, bilo u međuzvjezdanom mediju (ISM) ili u cirkumgalaktičkog medija (CGM). “Ovo je najudaljenija detekcija metalnog prijelaza i najudaljenije određivanje crvenog pomaka putem emisijskih linija,” navode autori. Ovo je također i najudaljeniji dokaz kemijskog obogaćenja pronađen do sada.

Detekcija ugljika izaziva postojeće teorije o zvijezdama populacije III bez metala. “Detekcija C iii i njezina visoka ekvivalentna širina (EW) isključuje scenarije primitivnih zvjezdanih populacija,” tvrde autori. Ako je JWST dokazao da zvijezde populacije III nisu bile bez metala, to bi predstavljalo značajno otkriće koje mijenja naše razumijevanje svemira. Iako je postojanje zvijezda populacije III bilo teorijsko, njihova prisutnost smatrala se vjerojatnom s obzirom na postojeće znanje o svemiru.

Kada se otkrije nešto ovako iznenađujuće, znanstvenici pažljivo razmatraju sva moguća alternativna objašnjenja. Postavlja se pitanje jesu li istraživači zaista detektirali ugljik u zvijezdama ove drevne galaksije, ili bi neki drugi faktori mogli biti odgovorni za ove emisije. Osim zvijezda, u galaksiji se nalazi i supermasivna crna rupa (Supermassive Black Hole – SMBH), čija aktivnost može rezultirati sjajnim svjetlosnim signalima, sličnim onima koje JWST detektira.

“Istraživači također napominju da je u ovoj galaksiji identificirana supermasivna akrecijska crna rupa, što ukazuje na mogućnost da su neobične kemijske obilnosti primarno povezane s njezinom regijom,” dodaju autori.

AGB zvijezde

Kako objašnjava Universe Today, postoji i drugi potencijalni izvor ugljika u galaksiji – AGB zvijezde (zvijezde asimptotske divovske grane ili na Engleskom asymptotic giant branch). Za razliku od velikih eksplozivnih zvijezda poput supernovinih prethodnika, AGB zvijezde su velike zvijezde koje su napustile glavni slijed i proizvode metale na manje nasilan način. Međutim, evolucija zvijezde u AGB zvijezdu zahtijeva znatan vremenski period, što znači da u doba kada je svemir bio star samo 350 milijuna godina, nijedna zvijezda nije mogla postati AGB zvijezda. “AGB zvijezde ne mogu doprinijeti obogaćenju ugljikom u ovim ranoj epohama,” zaključuju autori.

Iako istraživači izvještavaju o detekciji ugljika, točan izvor njegovog porijekla ostaje nejasan. Sugeriraju da bi mogao biti rezultat prve generacije supernova od progenitora Populacije III.

“Za prikupljanje ovih podataka, zbog iznimno slabe vidljivosti galaksije, potrebno je bilo 65 sati promatranja JWST-om,” ističu autori. Unatoč dugotrajnom promatranju, istraživači su došli tek do preliminarnih zaključaka o metalnosti koju su zabilježili. Korištenje tolikog vremena JWST-a za spektroskopsko proučavanje jedne galaksije nije uobičajena praksa, ali je nužno za ovako precizna spektroskopska istraživanja.

Autori rada naglašavaju da bi u budućnosti istraživanja velikih područja neba i korištenje gravitacijskih leća mogli pomoći u identificiranju većeg broja galaksija s visokim crvenim pomakom, koje bi bile dovoljno svijetle za detaljnija spektroskopska istraživanja s kraćim vremenom izlaganja. Takav pristup omogućio bi astrofizičarima da raspoložu s većim uzorkom galaksija, što bi moglo dovesti do čvršćih zaključaka o iznenađujućim otkrićima kao što je ovo.

Ovo otkriće nije samo značajno zbog pružanja novih uvida u ranu povijest svemira, već i zbog potencijalnog preispitivanja postojećih teorija o formiranju i evoluciji zvijezda i galaksija.

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr