Spektraalanalise van ligsterrestelsel JADES-GS-z14-0 gebaseer op waarnemings wat in Januarie 2024 gemaak is, het 'n rooiverskuiwing van 14.32 aan die lig gebring wat dit die verste sterrestelsel bekend maak (vorige verste sterrestelsel bekend was JADES-GS-z13-0 by die rooiverskuiwing van z = 13.2). Dit is ongeveer 290 miljoen jaar na die Oerknal in die vroeë heelal gevorm. Die oorvloedige hoeveelheid sterlig impliseer dat dit massief is en meer as 1,600 14 ligjare groot is. So 'n lig, massiewe en groot sterrestelsel in die vroeë heelal teen kosmiese dagbreek weerstaan huidige begrip van sterrestelselvorming. Die eerste sterre in die heelal was Pop III-sterre met nulmetaal of uiters lae metaal. Studie van die infrarooi eienskappe van die JADES-GS-z0-290-sterrestelsel onthul die teenwoordigheid van suurstof wat beteken dat metaalverryking impliseer dat generasies massiewe sterre reeds hul lewenslope van geboorte tot supernova-ontploffing met ongeveer XNUMX miljoen jaar in die vroeë heelal voltooi het. Die eienskappe van hierdie sterrestelsel is dus in stryd met die huidige begrip van sterrestelselvorming in die vroeë heelal.
Die baie vroeë heelal, teen ongeveer 380 000 jaar na die Oerknal, was gevul met geïoniseerde gasse en was heeltemal ondeursigtig as gevolg van die verstrooiing van fotone deur die vrye elektrone. Dit is gevolg deur die neutrale era van die vroeë heelal wat ongeveer 400 miljoen jaar geduur het. In hierdie era was die heelal neutraal en deursigtig. Die eerste lig het verskyn toe die heelal deursigtig geword het, het rooi verskuif na mikrogolfrekwensies as gevolg van uitbreiding, en word nou waargeneem as Kosmiese Mikrogolfagtergrond (KMI). Omdat die heelal gevul was met neutrale gasse, is geen optiese sein uitgestraal nie (vandaar donker era genoem). Ongeïoniseerde materiale straal nie lig uit nie, wat dit moeilik maak om die vroeë heelal van die neutrale era te bestudeer. Mikrogolfstraling van 21 cm golflengte (wat ooreenstem met 1420 MHz) wat deur die koue, neutrale kosmiese waterstof gedurende hierdie era uitgestraal word as gevolg van die hiperfyn oorgang van parallelle spin na meer stabiele anti-parallelle spin, bied egter geleenthede vir sterrekundiges. Hierdie 21 cm mikrogolfstraling sal rooi verskuif word wanneer dit die aarde bereik en sal by 200 MHz tot 10 MHz frekwensies as radiogolwe waargeneem word. Die REACH (Radio-eksperiment vir die analise van kosmiese waterstof) eksperiment is daarop gemik om 'n ontwykende 21 cm-lyn van kosmiese waterstof op te spoor.
Die tydperk van reïonisasie was die volgende tydperk in die geskiedenis van die vroeë heelal wat geduur het van ongeveer 400 miljoen jaar na die Oerknal tot 1 miljard jaar. Die gasse is herïoniseer as gevolg van hoë-energie UV-straling wat deur die kragtige vroeë sterre uitgestraal is. Die vorming van sterrestelsels en kwasars het in hierdie tydperk begin. Die ligte van hierdie tydperk is rooi verskuif na rooi en infrarooi bereik. Huble-diepveldstudies was 'n nuwe begin in die studie van die vroeë heelal, maar die omvang daarvan om oerligte vas te lê, was beperk. 'n Infrarooi-sterrewag in die ruimte was nodig. JWST spesialiseer uitsluitlik in infrarooi-sterrekunde om die vroeë heelal te bestudeer.
Die James Webb-ruimteteleskoop (JWST ) is op 25 Desember 2021 gelanseer. Daarna is dit in 'n wentelbaan naby die Son-Aarde L2 Lagrange-punt, ongeveer 1.5 miljoen km van die aarde af, geplaas. Dit het in Julie 2022 ten volle operasioneel geword. Deur gebruik te maak van sleutelwetenskaplike instrumente aan boord soos NIRCam (Nabye Infrarooi Kamera), NIRSpec (Nabye Infrarooi Spektrograaf), MIRI (Middel-Infrarooi Instrument), soek JWST na optiese/infrarooi seine van die vroeë sterre en sterrestelsels wat in die heelal gevorm is, vir 'n beter begrip van die vorming en evolusie van sterrestelsels en die vorming van sterre en planetêre stelsels. In die afgelope twee jaar het dit fassinerende resultate opgelewer in die verkenning van kosmiese dagbreek (d.w.s. die tydperk in die eerste paar honderd miljoen jaar na die oerknal waar die eerste sterrestelsels gebore is).
JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) program
Hierdie program het ten doel om sterrestelsel-evolusie van hoë rooiverskuiwing tot kosmiese middag deur middel van infrarooi beelding en spektroskopie in die GOODS-S en GOODS-N diep velde te bestudeer.
In die eerste jaar het die JADES-navorsers op honderde kandidaat-sterrestelsels van die eerste 650 miljoen jaar na die oerknal afgekom. Vroeg in 2023 het hulle 'n sterrestelsel in hul datastel gevind wat blykbaar op 'n rooi verskuiwing van 14 was, wat daarop dui dat dit 'n baie verre sterrestelsel moet wees, maar dit was baie helder. Dit het ook gelyk of dit deel van 'n ander sterrestelsel was weens die nabyheid. Gevolglik het hulle daardie toename in Oktober 2023 waargeneem. Die nuwe data het ondersteun dat dit by 'n rooi verskuiwing van 14 was. 'n Spektrum van hierdie sterrestelsel was nodig om die ligging van Lyman-alfa-breuk in die spektrum te identifiseer om die rooi verskuiwing te meet en ouderdom te bepaal.
Lyman-alfa is 'n spektrale emissielyn van waterstof in die Lyman-reeks wanneer elektrone oorgaan van n=2 na n=1. Die punt van Lyman-alfa-breek in die spektrum stem ooreen met die waargenome golflengte (λ waargeneem ). Die rooi verskuiwing (z) kan bereken word volgens die formule z = (λ waargeneem – λ rus ) / λ rus.
JADES-GS-z14-0 sterrestelsel
Gevolglik is die sterrestelsel weer in Januarie 2024 waargeneem met behulp van NIRCam (Near Infrared Camera) en NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Spektraalanalise het duidelike bewyse gelewer dat die sterrestelsel 'n rooiverskuiwing van 14.32 was, wat dit die mees verste sterrestelsel bekend gemaak het (vorige mees verre sterrestelselrekord (JADES-GS-z13-0 by die rooiverskuiwing van z = 13.2). Dit is JADES genoem. -GS-z14-0, 'n ligte sterrestelsel op 'n afstand van 13.5 miljard ligjare. Verder was dit meer as 1,600 300 ligjare groot wat daarop dui dat jong sterre die bron van sy helderheid is baie massief wees Dit word nie verwag van 'n sterrestelsel wat minder as XNUMX miljoen jaar na die Oerknal bestaan nie. Dit pas nie goed in bestaande modelle van sterrestelselvorming nie.
Daar was meer verrassings in die vooruitsig.
Navorsers kon JADES-GS-z14-0 by langer golflengtes opspoor deur gebruik te maak van MIRI (Mid-Infrared Instrument). Dit het beteken om sigbare-ligreeksvrystellings van hierdie sterrestelsel vas te lê wat rooiverskuif is om buite bereik vir naby-infrarooi-instrumente te raak. Ontleding het die teenwoordigheid van geïoniseerde suurstof aan die lig gebring, wat 'n hoë stermetalisiteit impliseer. Dit is slegs moontlik wanneer baie generasies van sterre reeds hul lewensbane geleef het.
Die eerste sterre in die heelal het nulmetaal of uiters lae metaal. Hulle word Pop III-sterre of Populasie III-sterre genoem. Lae metaal sterre is Pop II sterre. Jong sterre het 'n hoë metaalinhoud en word "Pop I-sterre" of die sonmetaalsterre genoem. Met 'n relatiewe hoë 1.4% metaalagtigheid is die son 'n onlangse ster. In sterrekunde word enige element swaarder as helium as 'n metaal beskou. Chemiese nie-metale soos suurstof, stikstof ens is metale in kosmologiese konteks. Sterre word metaal verryk in elke generasie na supernova-gebeurtenis. Toenemende metaalinhoud in sterre dui op jonger ouderdom.
As die ouderdom van die sterrestelsel JADES-GS-z14-0 minder as 300 miljoen jaar ná die Oerknal in ag geneem word, behoort die sterre in hierdie sterrestelsel Pop III-sterre met geen metaalinhoud te wees nie. JWST se MIRI het egter die teenwoordigheid van suurstof gevind.
In die lig van bogenoemde waarnemings en bevindings, stem die eienskappe van die vroeë heelalsterrestelsel JADES-GS-z14-0 nie ooreen met die huidige begrip van sterrestelselvorming nie. Hoe kan 'n sterrestelsel met sulke kenmerke gedateer word na 290 miljoen jaar na die Bing Bang? Dit is moontlik dat baie sulke sterrestelsels in die toekoms ontdek kan word. Miskien het 'n verskeidenheid sterrestelsels by die Kosmiese Dagbreek bestaan.
***
Verwysings:
- Carniani, S., et al. 2024. Spektroskopiese bevestiging van twee ligsterrestelsels by 'n rooiverskuiwing van 14. Nature (2024). Gepubliseer 24 Julie 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Voordruk by axRiv. Ingedien 28 Mei 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. JWST/MIRI fotometriese opsporing by 7.7 μm van die sterkontinuum en newel-emissie in 'n sterrestelsel by z>14. Voordruk by axRiv. Ingedien 28 Mei 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- Die NASA James Webb-ruimteteleskoop. Vroeë hoogtepunte – NASA se James Webb-ruimteteleskoop vind die mees verre bekende sterrestelsel. Geplaas 30 Mei 2024. Beskikbaar by https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
. It was formed in the early universe about 290 million years after the Big Bang. The copious amount of starlight implies it is massive and is over 1,600-light years across in size. Such a luminous, massive and large galaxy in the early universe at cosmic dawn defies current understanding of galaxy formation. The first stars in the universe Pop III stars with zero-metal or extremely low-metal. However, study of infrared properties of JADES-GS-z14-0 galaxy reveals presence of oxygen which means metal enrichment implying generations of massive stars had already completed their life-courses from births to supernova explosion by about 290 million years in the early universe. Properties of this galaxy is at odds with the current understanding of galaxy formation in the early universe.){kind=link}