Wykryto węgiel w galaktyce, która istniała już 350 mln lat po Wielkim Wybuchu

Wczesny Wszechświat składał się niemal w całości z wodoru, najprostszego z pierwiastków, z niewielkimi ilościami helu i litu. Każdy inny pierwiastek, który obserwujemy dzisiaj, powstał wewnątrz gwiazd. Kiedy gwiazdy eksplodują jako supernowe, pierwiastki, które wytwarzają, krążą po okolicy zasiewając kolejną generację gwiazd. Z każdą nową generacją gwiazd i powstałej po ich eksplozji materii, we Wszechświecie było coraz więcej pierwiastków cięższych od wodoru i helu.

W astronomii pierwiastki cięższe od wodoru lub helu są klasyfikowane jako metale. Możliwość prześledzenia ich pochodzenia i ewolucji może pomóc astronomom zrozumieć, jak przeszliśmy od Wszechświata składającego się niemal wyłącznie z dwóch pierwiastków chemicznych do niesamowitej złożoności, którą widzimy dzisiaj.

W niedawnych obserwacjach, w których wykorzystano Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), astronomowie wykryli kluczowy budulec życia, przynajmniej takiego, jakie znamy i to u zarania dziejów, w galaktyce, która istniała już 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, wywracając do góry nogami to, co wiemy o pierwszych galaktykach. Opis oraz rezultaty obserwacji zostały zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie "Astronomy & Astrophysics", a obecnie możne się z nimi zapoznać w bazie pre-printów arXiv.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Węgiel

Obłok węgla w odległej galaktyce, która pojawiła się zaledwie 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, oznacza najwcześniejsze wykrycie pierwiastka innego niż wodór we Wszechświecie. Węgiel jest fundamentalnym pierwiastkiem w ewolucji Wszechświata. Może tworzyć ziarna pyłu, które zlepiają się ze sobą, ostatecznie tworząc pierwsze planetozymale i najwcześniejsze planety. Ale węgiel jest również kluczowy dla powstania życia na Ziemi.

- Pierwsze gwiazdy są świętym Graalem ewolucji chemicznej - powiedział główny autor, dr Francesco D'Eugenio z University of Cambridge. - Ponieważ składały się wyłącznie z pierwotnych pierwiastków, zachowywały się zupełnie inaczej niż współczesne gwiazdy. Badając, jak i kiedy pierwsze metale powstały wewnątrz gwiazd, możemy ustalić ramy czasowe dla najwcześniejszych kroków na drodze, która doprowadziła do powstania życia - dodał.

- Wcześniejsze badania sugerowały, że węgiel zaczął się formować w dużych ilościach stosunkowo późno - około miliarda lat po Wielkim Wybuchu - powiedział współautor publikacji, profesor Roberto Maiolino, również z University of Cambridge. - W nowych obserwacjach odkryliśmy, że węgiel powstał znacznie wcześniej - może być nawet najstarszym metalem ze wszystkich – dodał.

Do niedawna uważano, że proces produkcji i rozsiewania ciężkich pierwiastków po kosmosie był długotrwały i złożyło się na niego wiele pokoleń gwiazd, zanim pierwiastki wystarczająco ciężkie, aby utworzyć planety, stały się szeroko dostępne. Jednak nowe odkrycie podważyło to założenie.

Zespół wykorzystał JWST do obserwacji bardzo odległej galaktyki - GS-z12, jednej z najodleglejszych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Powstała ona zaledwie 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, ponad 13 miliardów lat temu. Ta galaktyka jest zwarta i ma małą masę - około 100 tys. razy mniejszą niż Droga Mleczna.

- To tylko zarodek galaktyki, gdy ją obserwujemy, ale mogła ewoluować w coś całkiem dużego, mniej więcej wielkości Drogi Mlecznej. Jak na tak młodą galaktykę, jest dość masywna - powiedział D'Eugenio.

Naukowcy wykorzystali spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec) zamontowany na pokładzie JWST, aby uzyskać widmo promieniowania pochodzącego z młodej galaktyki. Różne pierwiastki pozostawiają różne chemiczne odciski palców w widmie, co pozwala naukowcom określić skład chemiczny badanego obiektu, w tym wypadku galaktyki. Analiza tego widma wykazała sygnaturę węgla. Są też ślady tlenu i neonu, chociaż konieczne będą dalsze obserwacje, aby potwierdzić obecność tych pierwiastków.

- Byliśmy zaskoczeni, widząc węgiel w tak wczesnym Wszechświecie, ponieważ uważano, że najwcześniejsze gwiazdy produkowały znacznie więcej tlenu niż węgla, ale fakt, że pojawia się on tak wcześnie, mówi nam, że pierwsze gwiazdy mogły działać zupełnie inaczej - powiedział Maiolino.

Według niektórych modeli, gdy najwcześniejsze gwiazdy eksplodowały jako supernowe, mogły uwolnić mniej energii, niż początkowo zakładano. W tym przypadku węgiel, który znajdował się w zewnętrznej powłoce gwiazd i był mniej związany grawitacyjnie niż tlen, mógł uciec łatwiej i rozprzestrzenić się po całej galaktyce, podczas gdy duża ilość tlenu zapadła się w czarną dziurę.

- Węgiel jest podstawą życia, jakie znamy i niekoniecznie jest prawdą, że życie musiało ewoluować znacznie później we Wszechświecie. Być może życie pojawiło się wcześniej - chociaż jeśli istnieje gdzie indziej we Wszechświecie, mogło ewoluować zupełnie inaczej niż tutaj, na Ziemi – zaznaczył D'Eugenio.

Źródło: University of Cambridge, fot. NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)