Gammel gassky viser, at de første stjerner må være dannet meget hurtigt

Astronomer ledet af Eduardo Bañados fra Max Planck Institute for Astronomy har opdaget en gassky, der indeholder information om en tidlig fase af galakse- og stjernedannelse, blot 850 millioner år efter Big Bang. Skyen blev fundet serendipitalt under observationer af en fjern kvasar, og den har de egenskaber, som astronomer forventer af forløberne for nutidens dværggalakser. Når det kommer til relative overflod, skyens kemi er overraskende moderne, viser, at de første stjerner i universet må være dannet meget hurtigt efter Big Bang. Resultaterne er blevet offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

Når astronomer ser på fjerne objekter, de ser nødvendigvis tilbage i tiden. Gasskyen opdaget af Bañados et al. er så fjernt, at dets lys har taget næsten 13 milliarder år at nå os; omvendt, lyset, der når os nu, fortæller os, hvordan gasskyen så ud for næsten 13 milliarder år siden, ikke mere end omkring 850 millioner år efter Big Bang. For astronomer, det er en yderst interessant epoke. Inden for de første flere hundrede millioner år efter Big Bang, de første stjerner og galakser blev dannet, men detaljerne i den komplekse evolution er stadig stort set ukendte.

Denne meget fjerne gassky var en tilfældig opdagelse. Bañados, derefter på Carnegie Institution for Science, og hans kolleger fulgte op på adskillige kvasarer fra en undersøgelse af 15 af de fjernest kendte kvasarer (z³6,5), som var blevet udarbejdet af Chiara Mazzucchelli som en del af hendes ph.d. forskning ved Max Planck Institute for Astronomy. I første omgang, forskerne bemærkede netop, at kvasaren P183+05 havde et ret usædvanligt spektrum. Men da Bañados analyserede et mere detaljeret spektrum, opnået med Magellan-teleskoperne ved Las Campanas-observatoriet i Chile, han erkendte, at der var noget andet på færde:De underlige spektrale træk var sporene af en gassky, der var meget tæt på den fjerne kvasar - en af ​​de fjerneste gasskyer, astronomer endnu har været i stand til at identificere.

Oplyst af en fjern kvasar

Kvasarer er ekstremt lyse aktive kerner i fjerne galakser. Drivkraften bag deres lysstyrke er galaksens centrale supermassive sorte hul. Stof, der hvirvler rundt om det sorte hul (før det falder i), opvarmes til temperaturer, der når hundredtusindvis af grader, afgiver enorme mængder stråling. Dette gør det muligt for astronomer at bruge kvasarer som baggrundskilder til at detektere brint og andre kemiske grundstoffer i absorption:Hvis en gassky er direkte mellem observatøren og en fjern kvasar, noget af kvasarens lys vil blive absorberet.

Astronomer kan detektere denne absorption ved at studere kvasarens spektrum, det er, den regnbuelignende nedbrydning af kvasarens lys i de forskellige bølgelængdeområder. Absorptionsmønsteret indeholder information om gasskyens kemiske sammensætning, temperatur, tæthed og endda om skyens afstand fra os (og fra kvasaren). Bag dette er det faktum, at hvert kemisk element har et "fingeraftryk" af spektrallinjer - smalle bølgelængder område, hvor det elements atomer kan udsende eller absorbere lys særligt godt. Tilstedeværelsen af ​​et karakteristisk fingeraftryk afslører tilstedeværelsen og overfloden af ​​et specifikt kemisk element.

Ikke helt den sky, de ledte efter

Fra gasskyens spektrum, forskerne kunne med det samme fortælle skyens afstand, og at de så tilbage i den første milliard år af kosmisk historie. De fandt også spor af flere kemiske grundstoffer, herunder kulstof, ilt, jern, og magnesium. Imidlertid, mængden af ​​disse elementer var lille, omkring 1/800 gange overflod i atmosfæren af ​​vores sol. Astronomer kalder sammenfattende alle grundstoffer tungere end helium for "metaller"; denne måling gør gasskyen til et af de mest metalfattige (og fjerneste) systemer kendt i universet. Michael Rauch fra Carnegie Institution of Science, som er medforfatter til den nye undersøgelse, siger:"Efter at vi var overbevist om, at vi så på sådan uberørt gas kun 850 millioner år efter Big Bang, begyndte vi at spekulere på, om dette system stadig kunne bevare kemiske signaturer produceret af den allerførste generation af stjerner."

At finde disse første generation, såkaldte "population III"-stjerner er et af de vigtigste mål for at rekonstruere universets historie. I det senere univers, kemiske grundstoffer, der er tungere end brint, spiller en vigtig rolle i at lade gasskyer kollapse og danne stjerner. Men de kemiske elementer, især kulstof, er selv fremstillet i stjerner, og slynget ud i rummet i supernovaeksplosioner. For de første stjerner, disse kemiske facilitatorer ville simpelthen ikke have været der, siden lige efter Big Bang-fasen, der var kun brint- og heliumatomer. Det er det, der gør de første stjerner fundamentalt forskellige fra alle senere stjerner.

Analysen viste, at skyens kemiske sammensætning ikke var kemisk primitiv, men i stedet svarede de relative mængder overraskende til de kemiske mængder observeret i nutidens intergalaktiske gasskyer. Forholdet mellem overflod af tungere grundstoffer var meget tæt på forholdet i det moderne univers. Den kendsgerning, at denne gassky i det meget tidlige univers allerede indeholder metaller med moderne relative kemiske overflod, stiller store udfordringer for dannelsen af ​​den første generation af stjerner.

Så mange stjerner, så lidt tid

Denne undersøgelse antyder, at dannelsen af ​​de første stjerner i dette system må være begyndt meget tidligere:de kemiske udbytter, der forventes fra de første stjerner, var allerede blevet slettet af eksplosioner af mindst en generation mere stjerner. En bestemt tidsbegrænsning kommer fra supernovaer af type Ia, kosmiske eksplosioner, der ville være nødvendige for at producere metaller med de observerede relative mængder. Sådanne supernovaer har typisk brug for omkring 1 milliard år for at ske, hvilket sætter en alvorlig begrænsning på ethvert scenarie for, hvordan de første stjerner blev dannet.

Nu hvor astronomerne har fundet denne meget tidlige sky, de leder systematisk efter yderligere eksempler. Eduardo Bañados siger:"Det er spændende, at vi kan måle metallicitet og kemiske mængder så tidligt i universets historie, men hvis vi ønsker at identificere signaturerne af de første stjerner, er vi nødt til at sondere endnu tidligere i den kosmiske historie. Jeg er optimistisk, at vi vil finde endnu fjernere gasskyer, som kunne hjælpe os med at forstå, hvordan de første stjerner blev født."

Resultaterne beskrevet her er blevet offentliggjort i Bañados et al., "Et metalfattigt dæmpet Lyα-system ved rødforskydning 6.4, "i Astrofysisk tidsskrift .