Αστροφυσικοί που εργάζονται με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) εντόπισαν μια εκπληκτική ποσότητα μετάλλου (κατά την αστρονομική ορολογία) σε έναν γαλαξία, μόλις 350 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, το φαινόμενο που ευρέως θεωρείται ως η απαρχή του Σύμπαντος. Πώς μπορεί αυτό να βοηθήσει να κατανοήσουμε το Σύμπαν;
Η προέλευση των πρώτων μετάλλων του Σύμπαντος είναι ένα θεμελιώδες ερώτημα στην αστροφυσική. Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν δημιουργήθηκε σχεδόν εξ ολοκλήρου από υδρογόνο, το απλούστερο από τα στοιχεία. Υπήρχε λίγο ήλιο, ακόμη λιγότερο λίθιο, και πιθανώς μια απειροελάχιστη ποσότητα βηρυλλίου, δηλαδή τα τέσσερα πρώτα στοιχεία του περιοδικού πίνακα των στοιχείων.
Στην αστρονομία, όλα τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο ονομάζονται μέταλλα. Τα μέταλλα παράγονται στα άστρα (εκτός από τη μικροσκοπική ποσότητα που παρήχθη από την ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη). Η ανίχνευση του σχηματισμού των μετάλλων του Σύμπαντος, από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι και σήμερα, είναι μια από τις θεμελιώδεις αναζητήσεις της αστροφυσικής.
Η μεταλλικότητα (Metallicity) είναι μια θεμελιώδης έννοια στη μελέτη μας για το Σύμπαν. Χωρίς μέταλλα, οι βραχώδεις πλανήτες δε θα μπορούσαν να σχηματιστούν, ούτε και να υποστηριχθεί η ζωή. Μετά από διαδοχικές γενιές άστρων, με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών, η μεταλλικότητα του Σύμπαντος έχει αυξηθεί. Συνεπώς υπάρχει ένας δρόμος που οδηγεί από τα πρώτα μέταλλα στο σύγχρονο κόσμο.
Η μελέτη των αρχαίων γαλαξιών είναι μία από τις κύριες αναζητήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb. Το ερευνητικό πρόγραμμα JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) εξέτασε μια περιοχή του ουρανού αναζητώντας αχνούς, πρώιμους γαλαξίες. Κοιτάζοντας τόσο πολύ πίσω στο χρόνο, στους πρώιμους γαλαξίες του Σύμπαντος, το JWST ρίχνει φως στη μεταλλικότητα του πρώιμου Σύμπαντος.
Μια ομάδα ερευνητών που εργάζονται πάνω σε παρατηρήσεις του προγράμματος JADES, εξέτασαν έναν γαλαξία, το φως του οποίου έχει φτάσει σε εμάς στην κατάσταση που αυτός ήταν μόλις 350 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και βρήκαν άνθρακα. Μπορεί επίσης να βρήκαν οξυγόνο και νέον (τα οποία θεωρούνται μέταλλα σύμφωνα με την αστρονομία). Τα ευρήματα τους περιγράφονται σε σχετική ερευνητική μελέτη με τίτλο JADES: Carbon enrichment 350 Myr after the Big Bang in a gas-rich galaxy. Ο κύριος συγγραφέας της μελέτης είναι ο Francesco D'Eugenio, μεταδιδακτορικός αστροφυσικός στο Institute for Cosmology στο Cambridge.
Τα πρώτα άστρα που σχηματίστηκαν στο Σύμπαν ονομάζονται άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ (Population III stars). Είναι τα πιο αρχαία άστρα και ήταν ογκώδη, φωτεινά και υπέρθερμα, χωρίς σχεδόν καθόλου μέταλλα. Η μικροσκοπική ποσότητα μετάλλων που ανιχνεύεται σε αυτά, προήλθε από τους πρώτους σουπερνόβα.
Μεγάλο μέρος των γνώσεων μας σχετικά με τα άστρα Πληθυσμού III είναι θεωρητικό επειδή αυτά τα αρχαία άστρα, ως μέρος αρχαίων γαλαξιών, είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν. Αλλά το JWST είναι ικανό για τέτοιες παρατηρήσεις. Το τηλεσκόπιο δεν μπορεί να δει μεμονωμένα αστέρια, αλλά το πολύ ισχυρό όργανο NIRSpec (Near Infrared Spectograph) που φέρει το τηλεσκόπιο, μπορεί να ανιχνεύσει διαφορετικά στοιχεία σε έναν γαλαξία μέσω των φασματικών τους γραμμών.
Η έρευνα βασίζεται σε έναν γαλαξία κοντά στην Κοσμική Αυγή (Cosmic Dawn), μια κρίσιμη εποχή στην ιστορία του Σύμπαντος. Όταν οι ερευνητές μελέτησαν τις παρατηρήσεις του JWST, ανακάλυψαν μια απροσδόκητη ποσότητα άνθρακα στον γαλαξία. Ο άνθρακας υφίσταται είτε στο διαστρικό κενό ή είτε στο περιγαλαξιακό μέσο. «Αυτή ιστορικά είναι η πιο μακρινή ανίχνευση μεταλλικότητας σε ένα γαλαξία και ο πιο μακρινός προσδιορισμός με τη μέθοδο της μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift) με τη βοήθεια φασματικών γραμμών», όπως εξήγησαν οι ερευνητές. Είναι επίσης η «πιο μακρινή απόδειξη χημικού εμπλουτισμού» που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα.
Δειτε ακομη
Αυτή η ανίχνευση συγκρούεται άμεσα με την κατανόηση μας για τα άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ, για τα οποία η κυρίαρχη άποψη θέλει να έχουν πολύ μικρά επίπεδα μεταλλικότητας λόγω του πρώιμου χρονικού σταδίου στο οποίο υπήρξαν στο Σύμπαν. Εάν οι παρατηρήσεις του JWST επιβεβαιώνουν την ύπαρξη άστρων στο πρώιμο Σύμπαν με σχετικά υψηλή μεταλλικότητα, αυτό αποτελεί μία ιδιαίτερα σημαντική ανακάλυψη. Είναι ένα ακόμη παράδειγμα του τι είδους ανατροπές μπορεί να φέρει αυτό το ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο στις κυρίαρχες αντιλήψεις για το Σύμπαν που βλέπουμε γύρω μας.
Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η ύπαρξη άστρων Πληθυσμού ΙΙΙ είναι θεωρητική. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα άλλα που γνωρίζουμε για το Σύμπαν, η ύπαρξη τους είχε νόημα αλλά τα άστρα Πληθυσμού III δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ απευθείας.
Όταν γίνεται μία τέτοια ανακάλυψη, οι επιστήμονες εξετάζουν κάθε άλλη πιθανή εξήγηση για αυτό που βλέπουν. Βλέπουν πραγματικά άνθρακα στα άστρα αυτού του μακρινού, αρχαίου γαλαξία; Ή θα μπορούσε κάτι άλλο να κρύβεται πίσω από αυτές τις φασματικές γραμμές;
Ο αρχαίος γαλαξίας, εκτός από άστρα, διαθέτει και μία υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Όταν μία μαύρη τρύπα αυτού του μεγέθους τρέφεται με ύλη, μπορεί να παράξει λαμπρές εκλάμψεις ως ενεργός γαλαξιακός πυρήνας (Active Galactic Nuclei, AGN). Αυτα τα φωτεινά σήματα θα μπορούσαν να είναι αυτό που βλέπει το JWST. «Η ύπαρξη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, η οποία καταναλώνει περιρρέουσα ύλη, είναι πιθανό να είναι υπεύθυνη για τα μη θεωρητικώς αποδεκτά στοιχεία που ανιχνεύθηκαν και αυτά τα στοιχεία μπορεί να εντοπίζονται αποκλειστικά στην περιοχή της μαύρης τρύπας», εξηγούν οι ερευνητές.
Υπάρχει, ωστόσο, και μια άλλη πιθανή πηγή άνθρακα στο γαλαξία. Είναι άστρα του τύπου AGB (Asymptotic Giant Branch). Τα αστέρια τύπου AGB δεν είναι μεγάλα άστρα που παράγουν φαινόμενα σουπερνόβα. Σε σύγκριση με τα άστρα που κάποια στιγμή θα παράξουν σουπερνόβα, τα άστρα τύπου AGB παράγουν μέταλλα σε εκτεταμένες χρονικές περιόδους και όχι βίαια όπως τα σουπερνόβα.
Αλλά χρειάζεται πολύς χρόνος για να εξελιχθεί ένα άστρο σε άστρο τύπου AGB. Όταν το Σύμπαν ήταν μόλις 350 εκατομμυρίων ετών, κανένα άστρο δεν είχε ζήσει αρκετά για να γίνει άστρο τύπου AGB. «Τα άστρα τύπου AGB δεν μπορεί να είχαν συμβάλει στον εμπλουτισμό με άνθρακα σε αυτές τις πρώιμες εποχές του Σύμπαντος», αναφέρουν οι συγγραφείς της μελέτης, οι οποίοι ωστόσο δε δίνουν σαφή εξήγηση για το από πού ακριβώς προήλθε ο άνθρακας.
Το JWST έφτασε κοντά στα όρια του για να παρατηρήσει αυτόν τον πρώιμο γαλαξία. «Αυτή η πιο μακρινή ανίχνευση μεταλλικότητας, η οποία έχει δώσει τόσο πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις πρώτες φάσεις του χημικού εμπλουτισμού, απαιτούσε πολύ μεγάλο χρόνο έκθεσης κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων», εξηγούν οι συγγραφείς. Χρειάστηκαν 65 ώρες χρήσης του JWST για να συλλεχθούν αυτά τα δεδομένα λόγω της υπερβολικά αχνής φωτεινότητας του γαλαξία.
Ακόμη και με όλο αυτό το χρόνο παρατήρησης, οι ερευνητές μπορούν μόνο να καταλήξουν σε πιθανές εξηγήσεις για τη μεταλλικότητα που βλέπουν. Δεν είναι πολύ πρακτικό να χρησιμοποιούμε 65 ώρες από τον πολύτιμο χρόνο του JWST για να μελετήσουμε φασματοσκοπικά έναν γαλαξία, αλλά αυτό πρέπει να κάνει το JWST για αυτό το είδος ακριβούς φασματοσκοπίας.
«Ωστόσο, στο μέλλον, οι έρευνες σε μεγάλες περιοχές του ουρανού και οι φυσικά απαντώμενοι βαρυτικοί φακοί στο Σύμπαν, μπορεί να βοηθήσουν στον εντοπισμό περισσότερων γαλαξιών σε μεγάλες αποστάσεις, οι οποίοι θα είναι αρκετά φωτεινοί για βαθιά φασματοσκοπική παρακολούθηση σε μικρότερους χρόνους έκθεσης», αναφέρουν οι ερευνητές.
Όταν και αν συμβεί αυτό, οι αστροφυσικοί θα έχουν το περιζήτητο μεγαλύτερο μέγεθος δείγματος. Με αυτά τα πολύτιμα δεδομένα στα χέρια τους, ίσως μπορέσουν να φτάσουν σε μια πιο συγκεκριμένη εξήγηση για αυτό το εκπληκτικό εύρημα.
Με πληροφορίες από sciencealert.com
