Tidlig stjernedannelse præsenterer nyt kosmisk mysterium

Nye observationer antyder, at stjerner begyndte at dannes kun 250 millioner år efter Big Bang en rekordbryder, der sandsynligvis vil åbne en ny linje med kosmologisk undersøgelse.

Astronomer, der kigger tilbage i tiden antyder, at de kosmiske mørke aldre, før universet var vært for sit hav af blinkende lys, måske varede ikke mere end 250 millioner år. Holdet præsenterede deres resultater i tidsskriftet Nature i dag.

Takuya Hashimoto (Osaka Sangyo University, Japan) og hans kolleger brugte Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) til at kigge efter en galakse, hvis lys blev udsendt 550 millioner år efter big bang og hentede et længe efterspurgt signal: ilt. Det er den fjerneste galakse, som astronomer har været i stand til at opdage individuelle elementer, og det enkelte element har en stor historie at fortælle.

Galakse klyngen MACS J1149.5 + 2223 funktioner i dette billede taget med Hubble-rumteleskopet. Indsatsen viser ALMAs syn på ilt (grønt) i galaksen MACS1149-JD1, hvis lys har rejst 13, 28 milliarder lysår til Jorden.
Indsat: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / Hashimoto et al .; Baggrund: NASA / ESA Hubble Space Telescope / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / CLASH Team

Fordi kun brint, helium og lidt lithium kom ud fra Big Bang, var det unge univers uberørt. Det var først, før den første generation af stjerner eksploderede, indånding af kulstof, ilt og andre tunge elementer ind i kosmos, at universets beholdning af elementer steg. Så detekteringen af ​​ilt 550 millioner år efter Big Bang antyder, at en generation af stjerner allerede var dannet og døde på dette tidspunkt.

Hashimoto og hans kolleger estimerer, at den første generation af stjerner ville have dannet sig 250 millioner år efter Big Bang - selvom Planck-målinger af den kosmiske mikrobølgebakgrund indikerer, at stjernedannelse ikke ville have været fremherskende i denne periode. Når det er sagt, er resultaterne i tråd med et foreløbigt resultat fra EDGES-eksperimentet, som fandt et signal fra stjerner, der dannede blot 180 millioner år efter Big Bang. EDGES-resultatet venter stadig på bekræftelse fra andre grupper, der udfører lignende eksperimenter.

I årtier har hold af forskere kappet for at finde underskrifterne fra de første stjerner - og det er mere end kosmisk nysgerrighed. ”Der er en fornyet optimisme, vi kommer tættere på og tættere på at være direkte vidne til fødslen af ​​stjernelys, ” siger medforfatter Richard Ellis (University College London) i en pressemeddelelse. ”Da vi alle er lavet af forarbejdet stjernemateriale, finder dette virkelig vores egen oprindelse.”

En eksplosiv start

Hvad mere er, teamet brugte også infrarøde data taget med Hubble-rumteleskopet og Spitzer-rumteleskopet til at samle antallet af stjerner i galaksen. Typisk danner galakser et lille antal højmasse stjerner og et stort antal lavmasse stjerner. Stjernerne med høj masse dør først og eksploderer som supernovaer et par millioner år efter, at de er dannet. Men stjernerne med den laveste masse kan overleve i billioner af år - meget længere end universets alder.

Men Hashimoto og hans kolleger så, at galaksen indeholdt endnu færre stjerner med høj masse end forventet - hvilket betyder, at stjernedannelsen startede stærk, afsmalnet og derefter begyndte at danne stjerner igen. Det er det modsatte af forudsigelser fra simuleringer af det tidlige univers. Stjernedannelseshastigheden forventedes at stige med tiden på disse tidlige epoker, begynde langsomt og derefter vokse eksponentielt - i det mindste for galakser med høj masse, som det Hashimotos hold opdagede.

”Det kan betyde, at vi ikke rigtig forstår den første generation af galakser tilstrækkeligt godt, ” siger medforfatter Erik Zackrisson (Uppsala Universitet, Sverige). "Der kan være en ingrediens, der mangler i simuleringerne."

At opdage, at den manglende ingrediens er målet med det fremtidige arbejde, men Zackrisson har et par ideer. Det kunne være, at den allerførste generation af stjerner producerede langt mere magtfulde supernovaer, end teoretikere formoder. Eller måske er netop denne galakse vært for en skorpen supermassivt sort hul. Begge vil løsrive kraftige vinde, der ville skubbe gas væk fra galaksen og undertrykke yderligere stjernedannelse.

Rychard Bouwens (Leiden Universitet, Holland), der ikke var involveret i undersøgelsen, hævder, at papirets konklusioner er pålidelige, men alligevel usikre, fordi teamet kigger så langt tilbage i universets historie. ”Det er altid sådan, når du er i forkant, ” siger han. ”Det kan give os vigtige ledetråde til, hvad der skete på meget tidlige tidspunkter i universet, men vi kan ikke være sikre, før vi observerer flere objekter.”

Både Bouwens og Zackrisson er begejstrede for 2020-lanceringen af ​​James Webb-rumteleskopet, der vil være i stand til direkte at forestille galakser på disse tidlige tider. Ikke kun det, men Webb forventes at forestille hundreder, hvis ikke tusinder af disse unge galakser. Som sådan sammenligner Bouwens de nuværende observationer med at stå på et skib, der er indhyllet i en tyk tåge. Selvom du muligvis kan se den disige kontur af et fyrtårn med Hubble eller Spitzer, vil James Webb-rumteleskopet fungere som sollysstråler - og tvinger tågen til at rydde og giver os mulighed for at se fyret tydeligt såvel som den klippekyst. bag det.

Reference:

T. Hashimoto et al. ”Begyndelsen på stjernedannelse 250 millioner år efter Big Bang.” Naturen, 2018 17. maj.