Tidligt univers: Den fjerneste galakse “JADES-GS-z14-0″ udfordrer Galaxy Formation-modeller  

Spektralanalyse af lysende galakse JADES-GS-z14-0 baseret på observationer foretaget i januar 2024 afslørede en rødforskydning på 14.32, hvilket gør den til den mest kendte galakse (den tidligere kendte mest fjerne galakse var JADES-GS-z13-0 ved rødforskydningen af z = 13.2). Det blev dannet i det tidlige univers omkring 290 millioner år efter Big Bang. Den rigelige mængde stjernelys antyder, at den er massiv og er over 1,600 lysår i størrelse. En sådan lysende, massiv og stor galakse i det tidlige univers ved kosmisk daggry trodser den nuværende forståelse af galaksedannelse. De første stjerner i universet var Pop III-stjerner med nul-metal eller ekstremt lav-metal. Undersøgelser af infrarøde egenskaber af JADES-GS-z14-0 galaksen afslører imidlertid tilstedeværelsen af ​​ilt, hvilket betyder metalberigelse, hvilket betyder, at generationer af massive stjerner allerede havde fuldført deres livsforløb fra fødslen til supernovaeksplosion med omkring 290 millioner år i det tidlige univers. Egenskaberne for denne galakse er således i modstrid med den nuværende forståelse af galaksedannelse i det tidlige univers.   

Det meget tidlige univers, omkring 380,000 år efter Big Bang, var fyldt med ioniserede gasser og var fuldstændigt uigennemsigtigt på grund af spredning af fotoner af de frie elektroner. Dette blev efterfulgt af den neutrale epoke i det tidlige univers, der varede i omkring 400 millioner år. I denne epoke var universet neutralt og gennemsigtigt. Det første lys dukkede op, da universet blev gennemsigtigt, blev rødt skiftet til mikrobølgeområdet på grund af ekspansion, og er nu observeret som Cosmic Microwave Background (CMB). Fordi universet var fyldt med neutrale gasser, blev der ikke udsendt noget optisk signal (derfor kaldet mørkealder). Uioniserede materialer udsender ikke lys, og derfor er det svært at studere det tidlige univers af neutral epoke. Mikrobølgestråling på 21 cm bølgelængde (svarende til 1420 MHz) udsendt af det kolde, neutrale kosmiske brint i denne epoke på grund af hyperfin overgang fra parallelt spin til mere stabilt anti-parallelt spin giver muligheder for astronomer. Denne 21 cm mikrobølgestråling vil blive rødforskudt, når den når jorden og vil blive observeret ved 200MHz til 10 MHz frekvenser som radiobølger. De NÅ (Radio Experiment for Analysis of Cosmic Hydrogen) Eksperimentet sigter mod at detektere undvigende 21-cm linje fra Cosmic Hydrogen.  

Reioniseringens epoke var den næste epoke i historien om det tidlige univers, der varede fra omkring 400 millioner år efter Big Bang til 1 milliard år. Gasserne blev re-ioniseret på grund af højenergi UV-stråling udsendt af de kraftige tidlige stjerner. Dannelsen af ​​galakser og kvasarer begyndte i denne epoke. Lysene i denne epoke er røde skiftet til mod røde og infrarøde områder. Huble dybe feltstudier var en ny begyndelse i studiet af det tidlige univers, men dets omfang til at fange urlys var begrænset. Et infrarødt observatorium baseret i rummet var nødvendigt. JWST har udelukkende specialiseret sig i infrarød astronomi til studere det tidlige univers. 

James Webb Space Telescope (JWST) blev opsendt den 25. december 2021. Efterfølgende blev tt placeret i et kredsløb nær Sol-Jorden L2 Lagrange-punktet omkring 1.5 millioner km fra jorden. Det blev fuldt operationelt i juli 2022. Ved hjælp af vigtige videnskabelige instrumenter ombord, såsom NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), søger JWST efter optiske/infrarøde signaler fra de tidlige stjerner og galakser dannet i universet for en bedre forståelse af dannelsen og udviklingen af ​​galakser og dannelsen af ​​stjerner og planetsystemer. I de sidste to år har det produceret fascinerende resultater i udforskningen af ​​kosmisk daggry (dvs. perioden i de første par hundrede millioner år efter big bang, hvor de første galakser blev født).  

JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) program 

Dette program har til formål at studere galakseudvikling fra høj rødforskydning til kosmisk middag ved hjælp af infrarød billeddannelse og spektroskopi i GOODS-S og GOODS-N dybe felter.  

I det første år stødte JADES-forskerne på hundredvis af kandidatgalakser fra de første 650 millioner år efter big bang. I begyndelsen af ​​2023 fandt de en galakse i deres datasæt, der så ud til at være ved et rødt skift på 14, hvilket tyder på, at det må være en ekstremt fjern galakse, men den var meget lys. Det så også ud til at være en del af en anden galakse på grund af nærheden. Derfor observerede de denne fremgang i oktober 2023. De nye data understøttede, at den var ved et rødt skift på 14. Et spektrum af denne galakse var nødvendigt for at identificere placeringen af ​​Lyman-alfa-brud i spektret for at måle det røde skift og bestemme alderen. 

Lyman-alpha er en spektral emissionslinje af brint i Lyman-serien, når elektroner går fra n=2 til n=1. Punktet for Lyman-alfa-brud i spektret svarer til den observerede bølgelængde (λ_observeret). Det røde skift (z) kan beregnes i henhold til formlen z = (λ_observeret – λ_hvile) / λ_hvile 

JADES-GS-z14-0 galakse    

Derfor blev galaksen observeret igen i januar 2024 ved hjælp af NIRCam (Near Infrared Camera) og NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Spektralanalyse gav klare beviser for, at galaksen havde en rødforskydning på 14.32, hvilket gjorde den til den kendte galakse, der er den fjerneste (tidligere mest fjerntliggende galakse-rekord (JADES-GS-z13-0 ved rødforskydningen af ​​z = 13.2). Den fik navnet JADES -GS-z14-0, en lysende galakse i en afstand på 13.5 milliarder lysår. Desuden var det over 1,600 lysår i størrelse, der antydede, at unge stjerner er kilden til dens lysstyrke være meget massiv Det forventes ikke af en galakse, der eksisterer mindre end 300 millioner år efter Big Bang, at den passer ikke godt ind i eksisterende modeller for galaksedannelse.  

Der var flere overraskelser i vente.  

Forskere var i stand til at detektere JADES-GS-z14-0 ved længere bølgelængder ved hjælp af MIRI (Mid-Infrared Instrument). Dette betød, at man fangede emissioner af synligt lys fra denne galakse, der blev rødforskudt for at blive uden for rækkevidde for nær-infrarøde instrumenter. Analyse afslørede tilstedeværelse af ioniseret oxygen, hvilket indebærer høj stjernemetallicitet. Dette er kun muligt, når mange generationer af stjerner allerede har levet deres livsforløb.  

De første stjerner i universet har nul-metal eller ekstremt lav-metal. De kaldes Pop III stjerner eller Population III stjerner. Low metal stjerner er Pop II stjerner. Unge stjerner har højt metalindhold og kaldes "Pop I-stjerner" eller solarmetalstjernerne. Med en relativt høj metallicitet på 1.4 % er solen en ny stjerne. I astronomi betragtes ethvert grundstof, der er tungere end helium, som et metal. Kemiske ikke-metaller som oxygen, nitrogen osv. er metaller i kosmologisk sammenhæng. Stjerner bliver metal beriget i hver generation efter supernova-begivenhed. Stigende metalindhold i stjerner indikerer yngre alder.   

I betragtning af at alderen på galaksen JADES-GS-z14-0 er mindre end 300 millioner år efter Big Bang, bør stjernerne i denne galakse være Pop III-stjerner med nul-metalindhold. JWSTs MIRI fandt dog tilstedeværelse af ilt.  

I lyset af ovenstående observationer og fund er egenskaberne af den tidlige universgalakse JADES-GS-z14-0 ikke i overensstemmelse med den nuværende forståelse af galaksedannelse. Hvordan kunne en galakse med sådanne funktioner dateres til 290 millioner år efter Bing Bang? Det er muligt, at mange sådanne galakser kan blive opdaget i fremtiden. Måske eksisterede en mangfoldighed af galakser ved det kosmiske daggry. 

*** 

Referencer:  

1. Carniani, S., et al. 2024. Spektroskopisk bekræftelse af to lysende galakser ved en rødforskydning på 14. Nature (2024). Udgivet 24. juli 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Fortryk hos axRiv. Indsendt 28. maj 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. Helton JM, et al 2024. JWST/MIRI fotometrisk detektion ved 7.7 μm af stjernernes kontinuum og nebulær emission i en galakse ved z>14. Fortryk hos axRiv. Indsendt 28. maj 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. NASA James Webb-rumteleskopet. Tidlige højdepunkter – NASAs James Webb-rumteleskop finder den fjerneste kendte galakse. Opslået 30. maj 2024. Tilgængelig på https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

***