Spektralanalyse av lysende galakse JADES-GS-z14-0 basert på observasjoner gjort i januar 2024 avslørte en rødforskyvning på 14.32 som gjør den til den fjerneste galaksen kjent (tidligere mest fjerne galaksen kjent var JADES-GS-z13-0 ved rødforskyvningen av z = 13.2). Den ble dannet i det tidlige universet omtrent 290 millioner år etter Big Bang. Den store mengden stjernelys antyder at den er massiv og er over 1,600 lysår i størrelse. En slik lysende, massiv og stor galakse i det tidlige universet ved kosmisk daggry trosser dagens forståelse av galaksedannelse. De første stjernene i universet var Pop III-stjerner med nullmetall eller ekstremt lavmetall. Studier av infrarøde egenskaper til JADES-GS-z14-0-galaksen avslører imidlertid tilstedeværelsen av oksygen, noe som betyr at metallanrikning antyder at generasjoner av massive stjerner allerede hadde fullført sine livsløp fra fødsel til supernovaeksplosjon med omtrent 290 millioner år i det tidlige universet. Dermed er egenskapene til denne galaksen i strid med den nåværende forståelsen av galaksedannelse i det tidlige universet.
Det veldig tidlige universet, omtrent 380,000 400 år etter Big Bang, var fylt med ioniserte gasser og var helt ugjennomsiktig på grunn av spredning av fotoner av de frie elektronene. Dette ble fulgt av den nøytrale epoken av det tidlige universet som varte i omtrent 21 millioner år. I denne epoken var universet nøytralt og gjennomsiktig. Det første lyset dukket opp etter at universet ble gjennomsiktig, ble rødt forskjøvet til mikrobølgeområdet på grunn av ekspansjon, og er nå observert som Cosmic Microwave Background (CMB). Fordi universet var fylt med nøytrale gasser, ble det ikke sendt ut noe optisk signal (derav kalt mørk tid). Uioniserte materialer avgir ikke lys, og derfor er det vanskelig å studere tidlig univers av nøytral epoke. Mikrobølgestråling på 1420 cm bølgelengde (tilsvarende 21 MHz) som sendes ut av det kalde, nøytrale kosmiske hydrogenet i løpet av denne epoken på grunn av hyperfin overgang fra parallelt spinn til mer stabilt antiparallellt spinn, gir imidlertid muligheter for astronomer. Denne 200 cm mikrobølgestrålingen vil bli rødforskyvet når den når jorden og vil bli observert ved 10MHz til XNUMX MHz frekvenser som radiobølger. De REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) Eksperimentet har som mål å oppdage unnvikende 21-cm linje fra Cosmic Hydrogen.
Reioniseringsepoken var den neste epoken i historien til det tidlige universet som varte fra omtrent 400 millioner år etter Big Bang til 1 milliard år. Gassene ble re-ionisert på grunn av høyenergi UV-stråling sendt ut av de kraftige tidlige stjernene. Dannelsen av galakser og kvasarer begynte i denne epoken. Lysene i denne epoken er røde forskjøvet til mot røde og infrarøde områder. Huble dypfeltstudier var en ny begynnelse i studiet av det tidlige universet, men omfanget til å fange urlys var begrenset. Et infrarødt observatorium basert i verdensrommet var nødvendig. JWST spesialiserer seg utelukkende på infrarød astronomi til studere tidlig univers.
James Webb Space Telescope (JWST) ble skutt opp 25. desember 2021. Deretter ble tt plassert i en bane nær Sun–Earth L2 Lagrange-punktet omtrent 1.5 millioner km fra jorden. Den ble fullt operativ i juli 2022. Ved å bruke viktige vitenskapelige instrumenter ombord som NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), søker JWST etter optiske/infrarøde signaler fra de tidlige stjernene og galaksene dannet i universet for en bedre forståelse av dannelsen og utviklingen av galakser og dannelsen av stjerner og planetsystemer. I løpet av de siste to årene har den gitt fascinerende resultater i utforskningen av kosmisk daggry (dvs. perioden i de første hundre millioner årene etter Big Bang der de første galaksene ble født).
JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) program
Dette programmet tar sikte på å studere galakseevolusjon fra høy rødforskyvning til kosmisk middag ved hjelp av infrarød avbildning og spektroskopi i dypfeltene GOODS-S og GOODS-N.
Det første året kom JADES-forskerne over hundrevis av kandidatgalakser fra de første 650 millioner årene etter det store smellet. Tidlig i 2023 fant de en galakse i datasettet deres som så ut til å ha et rødt skifte på 14, noe som tyder på at det må være en ekstremt fjern galakse, men den var veldig lys. Det så også ut til å være en del av en annen galakse på grunn av nærhet. Derfor observerte de denne gevinsten i oktober 2023. De nye dataene støttet at den var ved et rødt skift på 14. Et spektrum av denne galaksen var nødvendig for å identifisere plasseringen av Lyman-alfa-bruddet i spekteret for å måle det røde skiftet og bestemme alderen.
Lyman-alfa er en spektral emisjonslinje av hydrogen i Lyman-serien når elektroner går over fra n=2 til n=1. Poenget med Lyman-alfa-brudd i spekteret tilsvarer observert bølgelengde (λobserverte). Det røde skiftet (z) kan beregnes i henhold til formelen z = (λobserverte – λresten) / λresten
JADES-GS-z14-0 galaksen
Følgelig ble galaksen observert igjen i januar 2024 ved bruk av NIRCam (Near Infrared Camera) og NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Spektralanalyse ga klare bevis på at galaksen hadde en rødforskyvning på 14.32, noe som gjorde den til den fjerneste galaksen som er kjent (tidligere mest fjerntliggende galakse-rekord (JADES-GS-z13-0 ved rødforskyvningen av z = 13.2). Den ble kalt JADES -GS-z14-0, en lysende galakse i en avstand på 13.5 milliarder lysår. Videre var det over 1,600 lysår i størrelse som antydet at unge stjerner er kilden til dens lysstyrke være veldig massiv Det forventes ikke at en galakse som eksisterer mindre enn 300 millioner år etter Big Bang, har slike egenskaper.
Det var flere overraskelser i vente.
Forskere var i stand til å oppdage JADES-GS-z14-0 ved lengre bølgelengder ved hjelp av MIRI (Mid-Infrared Instrument). Dette betydde å fange utslipp av synlig lys fra denne galaksen som ble rødforskyvet for å bli utenfor rekkevidde for nær-infrarøde instrumenter. Analyse avslørte tilstedeværelse av ionisert oksygen som antyder høy stjernemetallisitet. Dette er bare mulig når mange generasjoner av stjerner allerede har levd sine livsløp.
De første stjernene i universet har nullmetall eller ekstremt lavmetall. De kalles Pop III-stjerner eller Population III-stjerner. Lavmetallstjerner er Pop II-stjerner. Unge stjerner har høyt metallinnhold og kalles "Pop I-stjerner" eller solar-metallstjernene. Med en relativt høy metallisitet på 1.4 % er solen en fersk stjerne. I astronomi regnes ethvert grunnstoff som er tyngre enn helium som et metall. Kjemiske ikke-metaller som oksygen, nitrogen etc er metaller i kosmologisk sammenheng. Stjerner får metall beriket i hver generasjon etter supernova-hendelse. Økende metallinnhold i stjerner indikerer yngre alder.
Med tanke på at alderen til galaksen JADES-GS-z14-0 er mindre enn 300 millioner år etter Big Bang, bør stjernene i denne galaksen være Pop III-stjerner med null metallinnhold. JWSTs MIRI fant imidlertid tilstedeværelse av oksygen.
I lys av de ovennevnte observasjonene og funnene samsvarer ikke egenskapene til den tidlige universgalaksen JADES-GS-z14-0 med dagens forståelse av galaksedannelse. Hvordan kunne en galakse med slike egenskaper dateres til 290 millioner år etter Bing Bang? Det er mulig at mange slike galakser kan bli oppdaget i fremtiden. Kanskje eksisterte et mangfold av galakser ved Cosmic Dawn.
***
Referanser:
- Carniani, S., et al. 2024. Spektroskopisk bekreftelse av to lysende galakser ved en rødforskyvning på 14. Nature (2024). Publisert 24. juli 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Fortrykk hos axRiv. Sendt 28. mai 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. JWST/MIRI fotometrisk deteksjon ved 7.7 μm av stjernekontinuumet og nebulær emisjon i en galakse ved z>14. Fortrykk hos axRiv. Sendt 28. mai 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- NASA James Webb-romteleskopet. Tidlige høydepunkter – NASAs James Webb-romteleskop finner den mest kjente galaksen. Lagt ut 30. mai 2024. Tilgjengelig på https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
