Gwiezdny pył rzuca światło na pierwsze gwiazdy

Astronomowie korzystający z Obserwatorium ALMA wykryli potężną masę świecącego gwiezdnego pyłu w galaktyce z okresu gdy Wszechświat miał zaledwie cztery procent swojego obecnego wieku. Galaktykę tą możemy obserwować taką jaką była krótko po jej powstaniu. Jest jak dotąd najdalszą galaktyką, w której wykryto pył. Są to także obserwacje najbardziej odległego tlenu we Wszechświecie. Wyniki pozwalają nam na nowo spojrzeć na narodziny i wybuchową śmierć pierwszych gwiazd.

Międzynarodowy zespół astronomów, którym kierował Nicolas Laporte z University College London, użył Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) do obserwacji A2744_YD4, najmłodszej i najdalszej galaktyki obserwowanej przez ALMA. Naukowcy byli zaskoczeni, iż ta młoda galaktyka zawiera dużo międzygwiazdowego pyłu — pyłu powstałego w wyniku śmierci wcześniejszej generacji gwiazd.

Dalsze obserwacje przy pomocy instrumentu X-shooter na należącym do ESO teleskopie VLT potwierdziły ogromną odległość do A2744_YD4. Galaktyka wyglądała tak gdy Wszechświat miał zaledwie 600 milionów lat i powstawały dopiero pierwsze gwiazdy i galaktyki.

A2744_YD4 jest nie tylko najdalszą galaktyką zaobserwowaną do tej pory przez ALMA,” komentuje Nicolas Laporte, „Odkrycie tak dużej ilości pyłu wskazuje, że wczesne supernowe już musiały zanieczyścić tę galaktykę”.

Kosmiczny pył jest zbudowany głównie z krzemu, węgla i aluminium, w małych ziarnach mierzących milionowe części centymetra. Chemiczne pierwiastki w tych ziarnach są wykuwane w gwiazdach i rozprzestrzenianie w kosmosie gdy gwiazdy te umierają, zwykle spektakularnie podczas wybuchów supernowych, czyli końcowego losu żyjących krótko gwiazd masywnych. Obecnie pyłu jest mnóstwo i jest kluczowym elementem w powstaniu gwiazd, planet i złożonych cząsteczek, jednak we wczesnym Wszechświecie — zanim umarła pierwsza generacja gwiazd — występował rzadko.

Obserwacje zapylonej galaktyki A2744_YD4 były możliwe dzięki temu, iż znajduje się za masywną gromadą galaktyk Abell 2744. Ponieważ zjawisko zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, w którym gromada działa niczym gigantyczny kosmiczny teleskop powiększający bardziej odległą A2744_YD4 o 1,8 razy, pozwoliła naukowcom zajrzeć daleko we wczesny Wszechświat.

Obserwacje ALMA wykryły także w A2744_YD4 świecącą emisję od zjonizowanego tlenu. Jest to najdalszy, czyli także najwcześniejszy, tlen wykryty we Wszechświecie. Pobił inny wynik ALMA z 2016 r.

Wykrycie pyłu we wczesnym Wszechświecie dostarcza nowych informacji o tym, kiedy eksplodowały pierwsze supernowe, a tym samym także kiedy pierwsze gorące gwiazdy skąpały Wszechświat w świetle. Ustalenie czasu tego „kosmicznego świtu” jest jednym z głównych wyzwań współczesnej astronomii i może być pośrednio badane przy pomocy analiz własności wczesnego pyłu międzygwiazdowego.

Grupa badawcza szacuje, że A2744_YD4 zawiera ilość pyłu odpowiadającą 6 milionom mas Słońca, natomiast całkowita gwiazdowa masa — masa wszystkich gwiazd w galaktyce — to 2 miliardy mas Słońca. Naukowcy zmierzyli także tempo procesów gwiazdotwórczych w A2744_YD4 i ustalili, iż jest to 20 mas Słońca na rok — w porównaniu z zaledwie jedną masą Słońca rocznie w Drodze Mlecznej.

Takie tempo nie jest nietypowe dla tak odległej galaktyki, ale rzuca nowe światło na to, jak szybko uformował się pył w A2744_YD4,” wyjaśnia Richard Ellis (ESO oraz University College London), współautor badań. Co istotne, potrzeba było zaledwie około 200 milionów lat zatem możemy podziwiać galaktykę krótko po jej uformowaniu.”

Oznacza to, że znaczące procesy gwiazdotwórcze rozpoczęły się około 200 milionów lat przed epoką, z której obserwujemy galaktykę. Dostarcza to wspaniałej szansy dla ALMA do wspomożenia badań nad erą, w której pierwsze gwiazdy i galaktyki „włączyły się” — najwcześniejszej epoki zbadanej do tej pory. Nasze Słońce, nasza planeta i nasze istnienie są produktem — po 13 miliardów lat później — tej pierwsze generacji gwiazd. Badając ich formowanie się, życie i śmierć, sprawdzamy nasze pochodzenie.

Dzięki ALMA widoki na dokonywanie głębszych i szerszych obserwacji podobnych galaktyk we wczesnych czasach są bardzo obiecujące” mówi Ellis.

Natomiast Laporte podsumowuje: Dalsze pomiary tego typu oferują ciekawą perspektywę śledzenia powstawania wczesnych gwiazd i tworzenia cięższych pierwiastków chemicznych jeszcze dawniej we wczesnym Wszechświecie.”

Źródło: ESO