Teleskop Webba nieoczekiwanie odkrywa nikiel i tlen, które zazwyczaj są trudne do zaobserwowania.
Podobnie jak ludzcy nastolatkowie, nastoletnie galaktyki są niezdarne, doświadczają gwałtownego wzrostu i lubią heavy metal – czyli nikiel. Grupa astrofizyków właśnie dokładnie przeanalizowała pierwsze wyniki przeglądu CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae), który wykorzystuje Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) do badania chemii odległych galaktyk.
Według wstępnych wyników tzw. „nastoletnie galaktyki”, które powstały około dwóch do trzech miliardów lat po Wielkim Wybuchu, charakteryzują się niezwykle wysoką temperaturą i zawierają nieoczekiwane, trudne do zaobserwowania pierwiastki, takie jak nikiel. Badania zostały opublikowane 20 listopada 2023 roku w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters” jako pierwsze z serii nadchodzących badań z przeglądu CECILIA.
Staramy się zrozumieć, jak galaktyki rosły i zmieniały się w ciągu 14 miliardów lat kosmicznej historii – powiedziała prof. Allison Strom z Northwestern University w Evanston w stanie Illinois, która kierowała badaniami. Wykorzystując JWST, skupiamy się na nastoletnich galaktykach, które przeżywają trudny okres gwałtownego wzrostu i zmian. Nastolatki często mają doświadczenia, które determinują ich trajektorię wkraczania w dorosłość. W przypadku galaktyk jest podobnie.
Chemiczne DNA daje wgląd w formowanie się galaktyk
Nazwany na cześć Cecilii Payne-Gaposchkin, jednej z pierwszych kobiet, które uzyskały tytuł doktora astronomii, przegląd CECILIA obserwuje widma odległych galaktyk. Strom porównuje widmo galaktyki do jej „chemicznego DNA”. Analizując to DNA podczas „nastoletnich” lat galaktyki, naukowcy mogą lepiej zrozumieć, jak rosła i jak będzie ewoluować w bardziej dojrzałą galaktykę.
Na przykład: astrofizycy nadal próbują zrozumieć, dlaczego niektóre galaktyki wydają się być „czerwone i martwe”, podczas gdy inne, takie jak nasza Droga Mleczna, nadal tworzą nowe gwiazdy. Analiza widma galaktyki może ujawnić jej kluczowe pierwiastki, takie jak tlen i siarka, które stanowią okno na to, co galaktyka robiła w przeszłości i co może robić w przyszłości.
Te nastoletnie lata są naprawdę ważne, ponieważ to właśnie wtedy następuje największy wzrost – powiedziała prof. Strom. Badając to, możemy zacząć zgłębiać fizykę, która spowodowała, że Droga Mleczna wygląda jak Droga Mleczna – i dlaczego może wyglądać inaczej niż sąsiednie galaktyki.
W nowym badaniu, prof. Strom i jej zespół naukowców wykorzystali JWST do obserwacji 33 odległych galaktyk w fazie nastoletniej nieprzerwanie przez 30 godzin w lecie 2022 roku. Następnie połączyli widma 23 z tych galaktyk, aby stworzyć kompleksowy obraz.
Szczegóły indywidualnych galaktyk są wtedy rozmyte, ale mamy lepszy ogólny obraz typowej galaktyki. Pozwala nam to również dostrzec słabiej widoczne obiekty – wyjaśniła prof. Strom. To badanie jest znacznie bardziej wnikliwe i szczegółowe niż jakiekolwiek widmo, które moglibyśmy zebrać za pomocą teleskopów naziemnych, obejmujące galaktyki z tego okresu w historii Wszechświata.
Widma zaskakują
Bardzo głębokie widmo ujawniło obecność ośmiu różnych pierwiastków: wodoru, helu, azotu, tlenu, krzemu, siarki, argonu i niklu. Wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu powstają wewnątrz gwiazd – stąd obecność tych pierwiastków dostarcza informacji na temat procesów tworzenia gwiazd i ewolucji galaktyk.
JWST to wciąż bardzo nowe obserwatorium – powiedział Ryan Trainor, profesor fizyki w Franklin & Marshall College w Lancaster w Pensylwanii i jeden ze współautorów artykułu. Astronomowie na całym świecie wciąż próbują znaleźć najlepsze sposoby analizy danych otrzymywanych z tego teleskopu.
Chociaż Strom spodziewała się dostrzec lżejsze pierwiastki, była szczególnie zaskoczona obecnością niklu. Ten cięższy od żelaza metal jest rzadki i wyjątkowo trudny do zaobserwowania.
W najśmielszych snach nigdy nie wyobrażałam sobie, że będziemy mogli dostrzec obecność niklu – powiedziała Strom. Nawet w pobliskich galaktykach nie obserwuje się go często – musi istnieć wystarczająca ilość tego pierwiastka w galaktyce oraz odpowiednie warunki, aby go zaobserwować. Obserwacje niklu nie są powszechne. Pierwiastki muszą emitować światło w gazie, abyśmy mogli je zaobserwować.
Kolejną niespodzianką było to, że nastoletnie galaktyki były niezwykle gorące. Poprzez analizę widm fizycy byli w stanie obliczyć ich temperaturę. Podczas gdy w najgorętszych skupiskach galaktyk temperatura może przekraczać 9700oC, nastoletnie galaktyki osiągnęły imponującą temperaturę powyżej 13 350oC.
Stanowi to dodatkowe potwierdzenie, jak różnorodne były galaktyki, gdy były młodsze – powiedziała Strom. Fakt, że obserwujemy wyższą charakterystyczną temperaturę, jest kolejnym dowodem na ich unikalną naturę, ponieważ temperatura i skład chemiczny gazu w galaktykach są ze sobą ściśle powiązane.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- ‘Teenage galaxies’ are unusually hot, glowing with unexpected elements
- CECILIA: The Faint Emission Line Spectrum of z ∼ 2–3 Star-forming Galaxies
Źródło: Northwestern
Na ilustracji: Zdjęcie z JWST gromady galaktyk znanej jako „El Gordo”, która jest przykładem „kosmicznego nastolatka”. Źródło: NASA, ESA, CSA
