Litrófsgreining á lýsandi vetrarbrautinni JADES-GS-z14-0 byggð á athugunum sem gerðar voru í janúar 2024 leiddi í ljós rauðvik upp á 14.32 sem gerir hana að fjarlægustu vetrarbrautinni sem vitað er um (fyrri fjarlægustu vetrarbrautin sem vitað er um var JADES-GS-z13-0 við rauðvikið af z = 13.2). Það myndaðist snemma í alheiminum um 290 milljón árum eftir Miklahvell. Mikið magn stjörnuljóss gefur til kynna að það sé massamikið og er yfir 1,600 ljósár að stærð. Svo lýsandi, massamikil og stór vetrarbraut í alheiminum snemma í alheimsdögun stangast á við núverandi skilning á myndun vetrarbrauta. Fyrstu stjörnurnar í alheiminum voru Pop III stjörnur með núllmálmi eða mjög lágmálmi. Hins vegar, rannsókn á innrauða eiginleikum JADES-GS-z14-0 vetrarbrautarinnar sýnir tilvist súrefnis sem þýðir að málmaauðgun gefur til kynna að kynslóðir massamikilla stjarna hafi þegar lokið lífsferli sínum frá fæðingu til sprengistjörnusprengingar um 290 milljónir ára í alheiminum snemma. Þannig eru eiginleikar þessarar vetrarbrautar á skjön við núverandi skilning á myndun vetrarbrauta í alheiminum snemma.
Snemma alheimurinn, um 380,000 árum eftir Miklahvell, var fylltur af jónuðum lofttegundum og var alveg ógagnsæ vegna dreifingar ljóseinda með frjálsu rafeindunum. Þessu fylgdi hlutlaust tímabil snemma alheims sem stóð í um 400 milljónir ára. Á þessu tímabili var alheimurinn hlutlaus og gegnsær. Fyrsta ljósið kom fram þegar alheimurinn varð gagnsær, varð rautt færðist yfir í örbylgjusvið vegna stækkunar og er nú séð sem Cosmic Microwave Background (CMB). Vegna þess að alheimurinn var fullur af hlutlausum lofttegundum var ekkert sjónmerki gefið frá sér (þess vegna kallað myrkuröld). Ójónuð efni gefa ekki frá sér ljós og því erfitt að rannsaka snemma alheims hlutlauss tímabils. Hins vegar, örbylgjugeislun með 21 cm bylgjulengd (sem samsvarar 1420 MHz) frá köldu, hlutlausu alheimsvetni á þessu tímabili vegna offínrar umbreytingar frá samhliða snúningi yfir í stöðugri andhliða snúning býður stjörnufræðingum tækifæri. Þessi 21 cm örbylgjugeislun myndi rauðvikast þegar hún berst til jarðar og mun sjást á 200MHz til 10 MHz tíðnum sem útvarpsbylgjur. The REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) Tilraun miðar að því að greina fáránlega 21 cm línu frá Cosmic Hydrogen.
Tímabil endurjónunar var næsta tímabil í sögu alheimsins sem stóð frá um 400 milljón árum eftir Miklahvell til 1 milljarðs ára. Lofttegundirnar endurjónuðust vegna mikillar UV-geislunar frá kröftugri fyrstu stjörnunum. Myndun vetrarbrauta og dulstirna hófst á þessu tímabili. Ljósin á þessu tímabili eru rauð færð í átt að rauðu og innrauðu sviðinu. Huble djúpsviðsrannsóknir voru nýtt upphaf í rannsóknum á fyrri alheiminum, en umfang þeirra við að fanga frumljós var takmarkað. Þörf var á innrauða stjörnustöð með aðsetur í geimnum. JWST sérhæfir sig eingöngu í innrauðri stjörnufræði til rannsaka snemma alheiminn.
James Webb geimsjónaukanum (JWST) var skotið á loft 25. desember 2021. Í kjölfarið var tt sett á sporbraut nálægt Sun–Earth L2 Lagrange punktinum um 1.5 milljón km frá jörðu. Það tók að fullu í notkun í júlí 2022. Með því að nota lykil vísindatæki um borð eins og NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), leitar JWST að sjón/innrauðum merkjum frá fyrstu stjörnum og vetrarbrautum myndast í alheiminum til að skilja betur myndun og þróun vetrarbrauta og myndun stjarna og reikistjörnukerfa. Á síðustu tveimur árum hefur það skilað heillandi niðurstöðum í könnun á alheimsdögun (þ.e. tímabilið á fyrstu hundruð milljónum ára eftir Miklahvell þar sem fyrstu vetrarbrautirnar fæddust).
JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) forrit
Þetta forrit miðar að því að rannsaka þróun vetrarbrauta frá mikilli rauðviku til geimhádegis með innrauðri myndgreiningu og litrófsgreiningu á djúpsviðum GOODS-S og GOODS-N.
Fyrsta árið hittu JADES-rannsakendur hundruð vetrarbrauta frá fyrstu 650 milljón árum eftir Miklahvell. Snemma árs 2023 fundu þeir vetrarbraut í gagnasafni sínu sem virtist vera með 14 rauða breytingu sem bendir til þess að hún hljóti að vera mjög fjarlæg vetrarbraut en hún var mjög björt. Einnig virtist hún vera hluti af annarri vetrarbraut vegna nálægðar. Þess vegna sáu þeir þessa aukningu í október 2023. Nýju gögnin studdu að hún væri á 14 rauða vaktinni. Litróf þessarar vetrarbrautar var nauðsynlegt til að greina staðsetningu Lyman-alfa brots í litrófinu til að mæla rauða færsluna og ákvarða aldur.
Lyman-alfa er litrófslosunarlína vetnis í Lyman röðinni þegar rafeindir fara úr n=2 í n=1. Punkturinn á Lyman-alfa broti í litrófinu samsvarar mældri bylgjulengd (λmerkjanleg). Rauða vaktina (z) er hægt að reikna út samkvæmt formúlunni z = (λmerkjanleg – λhvíld) / λhvíld
JADES-GS-z14-0 vetrarbrautin
Í samræmi við það sást vetrarbrautin aftur í janúar 2024 með því að nota NIRCam (Near Infrared Camera) og NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Litrófsgreining gaf skýrar vísbendingar um að vetrarbrautin væri á rauðviku 14.32, sem gerir hana að fjarlægustu vetrarbrautinni sem vitað er um (fyrri fjarlægustu vetrarbrautarmetið (JADES-GS-z13-0 við rauðvik z = 13.2). Hún var nefnd JADES -GS-z14-0, lýsandi vetrarbraut í 13.5 milljarða ljósára fjarlægð. Það var meira en 1,600 ljósár að stærð sem benti til þess að ungar stjörnur væru uppspretta birtu hennar Ekki er búist við því að vetrarbraut sem er til innan við 300 milljón árum eftir Miklahvell hafi slíka eiginleika.
Fleiri óvæntir voru í vændum.
Vísindamenn gátu greint JADES-GS-z14-0 á lengri bylgjulengdum með því að nota MIRI (Mid-Infrared Instrument). Þetta þýddi að fanga losun sýnilegs ljóss frá þessari vetrarbraut sem var rauðbreytt til að verða utan sviðs fyrir nær-innrauð hljóðfæri. Greining leiddi í ljós tilvist jónaðs súrefnis sem gefur til kynna mikla málmvirkni stjarna. Þetta er aðeins mögulegt þegar margar kynslóðir stjarna hafa þegar lifað líftíma sínum.
Fyrstu stjörnurnar í alheiminum eru með núllmálm eða afar lágmálmum. Þær eru kallaðar Pop III stjörnur eða Population III stjörnur. Low metal stjörnur eru Pop II stjörnur. Ungar stjörnur hafa hátt málminnihald og eru kallaðar „Pop I stjörnur“ eða sólmálmstjörnurnar. Með tiltölulega háan 1.4% málmstyrk er sól nýleg stjarna. Í stjörnufræði er sérhvert frumefni sem er þyngra en helíum talið málmur. Efnafræðilegir málmar eins og súrefni, köfnunarefni osfrv eru málmar í heimsfræðilegu samhengi. Stjörnur fá málm auðgað í hverri kynslóð eftir sprengistjörnuviðburði. Aukið málminnihald í stjörnum gefur til kynna yngri aldur.
Miðað við að aldur JADES-GS-z14-0 er innan við 300 milljónum ára eftir Miklahvell ættu stjörnurnar í þessari vetrarbraut að vera Popp III stjörnur með núllmálminnihald. Hins vegar fann MIRI frá JWST súrefni.
Í ljósi ofangreindra athugana og niðurstaðna eru eiginleikar fyrstu alheimvetrarbrautarinnar JADES-GS-z14-0 ekki í samræmi við núverandi skilning á myndun vetrarbrauta. Hvernig var hægt að tímasetja vetrarbraut með slíkum eiginleikum til 290 milljóna ára eftir Bing Bang? Hugsanlegt er að margar slíkar vetrarbrautir verði uppgötvaðar í framtíðinni. Kannski var fjölbreytileiki vetrarbrauta til við Cosmic Dawn.
***
Tilvísanir:
- Carniani, S., et al. 2024. Litrófsfræðileg staðfesting á tveimur lýsandi vetrarbrautum við rauðvik upp á 14. Nature (2024). Birt 24. júlí 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Forprentun hjá axRiv. Lögð fram 28. maí 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. JWST/MIRI ljósmælingagreining við 7.7 μm af stjörnusamfellu og geislun þoku í vetrarbraut við z>14. Forprentun hjá axRiv. Lögð fram 28. maí 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- James Webb geimsjónauki NASA. Snemma hápunktar – James Webb geimsjónauki NASA finnur fjarlægustu þekktustu vetrarbrautina. Sent 30. maí 2024. Fæst á https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
