Astronomer finder beviser for stjerner, der er dannet kun 250 millioner år efter Big Bang

Ikke længe efter Big Bang, de første generationer af stjerner begyndte at ændre den kemiske sammensætning af primitive galakser, langsomt berige det interstellare medium med grundlæggende elementer som ilt, kulstof, og nitrogen. At finde de tidligste spor af disse fælles grundstoffer ville kaste vigtigt lys over den kemiske udvikling af galakser, inklusive vores egen.

Nye observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) afslører den svage, afslørende signatur af ilt, der kommer fra en galakse i en rekordindstillingsafstand på 13,28 milliarder lysår fra Jorden, hvilket betyder, at vi observerer dette objekt, som det så ud, da universet kun var 500 millioner år gammelt, eller mindre end 4 procent af sin nuværende alder.

For så ung en galakse, kendt som MACS1149-JD1, at indeholde spor af ilt, den må være begyndt at skabe stjerner endnu tidligere:knappe 250 millioner år efter Big Bang. Dette er usædvanligt tidligt i universets historie og antyder, at rige kemiske miljøer udviklede sig hurtigt.

"Jeg var begejstret for at se signalet fra den fjerneste ilt, " forklarer Takuya Hashimoto, hovedforfatteren af ​​forskningspapiret offentliggjort i tidsskriftet Natur og en forsker ved Osaka Sangyo University og National Astronomical Observatory of Japan.

"Denne ekstremt fjerne, ekstremt ung galakse har en bemærkelsesværdig kemisk modenhed, " sagde Wei Zheng, en astronom ved Johns Hopkins University i Baltimore, som ledede opdagelsen af ​​denne galakse med Hubble-rumteleskopet og estimerede dens afstand. Han er også medlem af ALMAs forskningsteam. "Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at ALMA opdagede en emissionslinje - fingeraftrykket af et bestemt element - på en så rekordstor afstand."

Efter Big Bang, universets kemiske sammensætning var stærkt begrænset, med ikke engang et spor af grundstoffer som ilt. Det ville tage flere generationer af stjernefødsler og supernovaer at så det unge kosmos med påviselige mængder ilt, kulstof, og andre elementer smedet i stjernernes hjerter.

Efter at de blev befriet fra deres stjerneovne af supernovaer, disse oxygenatomer kom ind i det interstellare rum. Der blev de overophedede og blev ioniseret af lyset og strålingen fra massive stjerner. Disse varme, ioniserede atomer "glødede" derefter klart i infrarødt lys. Da dette lys rejste de enorme kosmiske afstande til Jorden, det blev strakt af universets udvidelse, til sidst ændres til det distinkte millimeter-bølgelængde lys, som ALMA er specielt designet til at detektere og studere.

Ved at måle den præcise ændring i bølgelængden af ​​dette lys - fra infrarødt til millimeter - fastslog holdet, at dette iltsignal rejste 13,28 milliarder lysår for at nå os, hvilket gør det til den fjerneste signatur af ilt, der nogensinde er opdaget af noget teleskop. Dette afstandsestimat blev yderligere bekræftet af observationer af neutralt brint i galaksen ved European Southern Observatory's Very Large Telescope. Disse observationer bekræfter uafhængigt, at MACS1149-JD1 er den fjerneste galakse med en præcis afstandsmåling.

The team then reconstructed the star formation history in the galaxy using infrared data taken with the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA's Spitzer Space Telescope. The observed brightness of the galaxy is well explained by a model where the onset of star formation was another 250 million years ago. The model indicates that the star formation became inactive after the first stars ignited. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, " said Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. I 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Nu, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., to appear in the journal Natur .