Dosłownie - zostały odkryte molekuły organiczne występujące w dymie i miejskim smogu (PAH) w ekstremalnie dalekiej galaktyce SPT0418-47 (> 12 miliardów l.św.). Obserwacje spektroskopowe przeprowadzone za pomocą Teleskopu Webba wskazują, że ta galaktyka jest raczej w fazie powstawiania młodych gwiazd niż akrecji materii na czarne dziury, ale obszary gwiazdotwórcze i występowania PAH nie pokrywają się. Bardzo pomocne w uzyskaniu widma okazało się dodatkowe wzmocnienie promieniowania tej odległej galaktyki (z=4,22) o krotność 30-35 przez soczewkowanie grawitacyjne od bliższej galaktyki (jej przesunięciu ku czerwieni z=0,263).
Na Ziemi wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne PAH (skrót od ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) występują w dymie, sadzy oraz miejskim smogu. Jest wiele rodzajów molekuł PAH. Najprostszy z nich naftalen/naftalina liczy 10 atomów węgla i 8 atomów wodoru. Większe molekuły liczą nawet 50 atomów węgla.
Odkrycie molekuł PAH demonstruje zdolności Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do analizy skomplikowanych związków chemicznych, które ściśle powiązane z narodzinami gwiazd nawet we wczesny Wszechświecie. Jednak to odkrycie - przynajmniej w odniesieniu do galaktyk, każe wątpić w słuszność porzekadła, że nie ma dymu bez ognia, czyli jak mówią Anglicy: „where there’s smoke, there’s fire”.
To znaczy w tym kontekście obecność molekuł organicznych (=„dym”) niekoniecznie wskazuje na istnienie procesów gwiazdotwórczych (=”ogień”).
Organiczne molekuły PAH zostały odkryte w galaktyce SPT0418-47, znajdującej się ponad 12 miliardów l.św. od nas. Z powodu tej ekstremalnej odległości światło tej galaktyki - zaobserwowane właśnie przez Teleskop Webba, rozpoczynało podróż, gdy Wszechświat liczył mniej niż 1,5 miliarda lat. Galaktyka została odkryta w 2013 roku przez South Pole Telescope. Ten teleskop obserwuje na Antarktydzie (stacja Amundsena-Scotta na biegunie południowym) w zakresie promieniowania elektromagnetycznego mikrofalowego, milimetrowego i sub-milimetrowego (ogólnie: mikrofale λ~1mm-1m, zakres sub-milimetrowy λ~100μm-1mm). Stąd oznaczenie galaktyki „SPT...”. Ta galaktyka była obserwowana w wielu obserwatoriach astronomicznych – między innymi przez sieć radioteleskopów ALMA oraz Kosmiczny Teleskop Hubble’a.
Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowy Nature w artykule pt. „Zmiany rozmieszczenia przestrzennego emisji węglowodorów aromatycznych w galaktyce bogatej w pył” (wersja darmowa arXiv:2306.03152). Główny autor publikacji Justin Spilker zauważył, że odkrycie było możliwe dzięki połączeniu potęgi Teleskopu Webba i szczęścia, czyli z pewną pomocą zjawiska zwanego soczewkowaniem grawitacyjnym. Pierwotnie przewidziane przez teorię względności Einsteina - soczewkowanie grawitacyjne ma miejsce, gdy dwie galaktyki znajdą się niemal idealnie w jednej linii dla obserwatora na Ziemi. Światło galaktyki z drugiego planu (ang. „background galaxy” – patrz rys. poniżej) jest zakrzywiane i wzmacniane przez galaktykę z pierwszego planu (ang. „foreground galaxy” – patrz rys. poniżej) na kształt podobny do pierścienia zwanego pierścieniem Einsteina.
Łącząc niezwykłe możliwości Teleskopu Webba z naturalnym ‘kosmicznym szkiełkiem powiększającym’ potrafiliśmy dostrzec więcej szczegółów niż moglibyśmy w inny sposób - powiedział Spilker - prawdę mówiąc, to przede wszystkim wielkość tego powiększenia sprawiła, że zainteresowaliśmy się obserwacjami tej galaktyki za pomocą Webba, ponieważ faktycznie to pozwoliło nam dostrzec całe bogactwo szczegółów budowy galaktyki we wczesnym Wszechświecie, których inaczej nigdy byśmy nie zobaczyli.
Wyjaśnienie mechanizmu soczewkowania grawitacyjnego ekstremalnie odległej galaktyki SPT0418-47 (z=4,22, ponad 12 miliardów l.św. od nas), która na niebie jest widoczna jako pierścień światła. Taka sytuacja ma miejsce, ponieważ dla obserwatora na Ziemi SPT0418-47 znajduje się niemal idealnie w jednej linii z drugą galaktyką odległą „tylko” o ~3 miliardy l.św. Siły grawitacyjne galaktyki z pierwszego planu (ang. „foreground galaxy”) skupiają dla ziemskiego obserwatora bieg promieni świetlnych od galaktyki z drugiego planu (ang. „background galaxy”) - podobnie jak przy patrzeniu przez nóżkę kieliszka do wina. Soczewkowanie grawitacyjne, oprócz powiększenia źródła obrazu powoduje również jego pojaśnienie – co pozwala na obserwacje bardzo odległych galaktyk, których inaczej nie dałoby się dostrzec. Na przykład obserwowany obraz galaktyki SPT0418-47 jest 30-35 jaśniejszy dzięki temu zjawisku. Źródło: S. Doyle/J. Spilker
W widmie uzyskanym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, które widać na poniższym rysunku, odkryto linię emisyjną wielkich molekuł organicznych PAH o długości fali λ~3,3μm. Na Ziemi podobne związki chemiczne powodują raka u ludzi i są głównym składnikiem zanieczyszczenia atmosfery (np. dym, smog). Natomiast obecność podobnego „galaktycznego dymu” ma znacznie mniej katastrofalne skutki dla kosmicznych ekosystemów.
W rzeczywistości te duże molekuły występują dość często w przestrzeni kosmicznej. Astronomowie uważają, że są one dobrym markerem świadczącym o powstawaniu młodych gwiazd. Tam, gdzie widać the molekuły obserwuje się również całą feerię skrzących się, młodych gwiazd – wyjaśnił Spilter.
W omawianej publikacji wskazuje się, że powyższa idea może nie obowiązywać we wczesnym Wszechświecie. Tak wyjaśnił to Spilker – Dzięki wysokiej rozdzielczości obrazom z Teleskopu Webba znaleźliśmy wiele obszarów z dymem, ale bez powstawania gwiazd i innych z młodymi gwiazdami, ale bez dymu.
Jest różnica pomiędzy promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym w podczerwieni przez molekuły PAH jak i większe od nich ziarna pyłu. Ziarna pyłu pochłaniają połowę promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez gwiazdy we Wszechświecie i wypromieniują tą energię w zakresie podczerwonym. Całe to promieniowanie podczerwone emitowane przez ziarna pyłu mogą przyćmić obrazy galaktyk z wczesnego Wszechświata – co sprawia, że są one ekstremalnie słabe w podczerwieni lub poniżej progu detekcji dla teleskopów na Ziemi.
Faktycznie przed epoką Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba nie było sposobu, aby zaobserwować te starożytne galaktyki. Zastępczo astronomowie próbowali obserwować obiekty zwane niebieskimi, zwartymi galaktykami karłowatymi BCD (ang. Blue Compact Dwarf galaxies). Galaktyki karłowate podobne do BCD mogły być powszechne we wczesnym Wszechświecie. Niektórzy badacze uważali, że Droga Mleczna i inne większe galaktyki powstała w wyniku połączenia się galaktyk karłowatych BCD. W niektórych galaktykach BCD mogły powstawać molekuły PAH, ale młode gwiazdy silnie świecą w ultrafiolecie, co również mogło niszczyć cząsteczki PAH.
Ponieważ molekuły PAH zawierają węgiel, więc astronomowie uważają, że one mogą istnieć dopiero po cyklu życia jednej generacji gwiazd. Pierwiastki cięższe od wodoru i helu nie zostały wytworzone podczas Wielkiego Wybuchu. Stworzyła je dopiero gwiezdna nukleosynteza. Cięższe pierwiastki rozprzestrzeniały się po Wszechświecie w miarę jak kolejne gwiazdy „umierały”.
Detekcja złożonych molekuł we wczesnym Wszechświecie wyznacza istotny kamień milowy dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Justin Spilker widzi to osiągnięcie jedynie jako początek tego co ma nadejść. Z potencjałem Teleskopu Webba do sięgania na dalsze odległości, astronomowie oczekują z niecierpliwością na nowe, jeszcze nieodkryte aspekty Wszechświata. Zespół astronomów kierowany przez Spilkera zamierza dowiedzieć się, czy obecność dymu naprawdę implikuje istnienie ognia za pomocą obserwacji większej liczby galaktyk – szczególnie tych znajdujących się w większej odległości niż SPT0418-47.
To są pierwsze dni Teleskopu Webba, więc astronomowie są podekscytowani podziwianiem wszelkich nowych rzeczy, które może nam zaprezentować – powiedział Spilker – detekcja cząstek dymu w galaktyce we wczesnym Wszechświecie? Webb osiąga to łatwo. Obecnie po raz pierwszy pokazaliśmy, że jest to możliwe i oczekujemy z niecierpliwością, próbując zrozumieć, czy jest to rzeczywiście prawda, że nie ma dymu bez ognia. Być może nawet będziemy w stanie znaleźć galaktyki, które są tak młode, że podobne molekuły złożone jeszcze nie miały czasu powstać w przestrzeni kosmicznej – więc takie galaktyki mają ogień, ale bez dymu. Jedynym sposobem, aby z pewnością dowiedzieć się są obserwacje większej liczby galaktyk – miejmy nadzieję, że nawet tych dalszych niż omawiana.
Dowód obserwacyjny na występowanie molekuł organicznych w galaktyce SPT0418-47 odległej o ponad 12 miliardów l.św. (przesunięcie ku czerwieni z=4,22). Jest to widmo linii emisyjnej λ 3,3μm molekuł wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH) zarejestrowane za pomocą Teleskopu Webba z instrumentem MIRI (Mid-InfraRed Instrument) w modzie MRS (Medium Resolution Spectroscopy). Na rysunku widać zarówno oryginalne dane (cienka, szara linia) jak i wynik po uśrednieniu do mniejszej rozdzielczości R ≈ 600 (fioletowa linia). Dla porównania zaprezentowano również tą samą linię widmową dla jądra formującej się gwiazdy VV114 (z=0,02) uzyskaną za pomocą spektrografu NIRSpec sprzężonego z Teleskopem Webba (czerwona linia).
Jest to najbardziej krótkofalowa (λ 3,3μm) linia widmowa najmniejszych, neutralnych molekuł PAH liczących mniej niż 100 atomów węgla, która powstaje w wyniku przejść wibracyjnych węglowo-wodorowych. Źródło: arXiv:2306.03152
Faktyczny kształt ekstremalnie odległej galaktyki SPT0418-47 (z=4,22, ponad 12 miliardów l.św od nas) zrekonstruowany na podstawie obserwacji sieci teleskopów ALMA. Na niebie widać ją jako prawie idealny pierścień światła, ponieważ jest grawitacyjnie soczewkowana przez inną pobliską galaktykę (z=0,263). Aktualnie (2023r.) jest to najbardziej odległa galaktyka, w której Teleskop Webba odkrył molekuły organiczne. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rizzo et al.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (Nature): Spatial variations in aromatic hydrocarbon emission in a dust-rich galaxy
(wersja darmowa–arXiv): Spatial variations in aromatic hydrocarbon emission in a dust-rich galaxy
Webb Telescope Smokes Out Universe’s Most Distant Organic Molecules
Portal Urania: ALMA dostrzegła odpowiedniczkę Drogi Mlecznej z wczesnego Wszechświata
Źródło: University of Illinois at Urbana-Champaign
Na ilustracji widać obraz soczewkowania grawitacyjnego ekstremalnie odległej galaktyki SPT0418-47, w której z pomocą Teleskopu Webba odkryto złożone molekuły organiczne podobne do tych zawartych w dymie lub smogu miejskim. Tak szczęśliwie się złożyło, że odległa o ponad 12 miliardów l.św. galaktyka znajduje dla obserwatora na Ziemi niemal idealnie w jednej linii z drugą galaktyką odległą tylko o 3 miliardy l.św. Na tym obrazie w mapowanych („fałszywych”) kolorach niedaleka galaktyka jest pokazana barwą niebieską, a ta odległa – w odcieniach czerwieni. Organiczne molekuły są zamapowane barwą pomarańczową. Źródło: J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA
