Gammelt stjernestøv kaster lys over de første stjerner

En enorm masse glødende stjernestøv i en galakse set kort efter universets dannelse er blevet opdaget af et UCL-ledet hold af astronomer, giver ny indsigt i de allerførste stjerners fødsel og eksplosive dødsfald.

Galaksen er det fjerneste objekt nogensinde observeret af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) og blev set, da universet kun var fire procent af sin nuværende alder, omkring 600 millioner år gammel, da de første stjerner og galakser blev dannet. Det er også den fjerneste galakse, hvor støv og ilt er blevet opdaget.

Studiet, finansieret af Det Europæiske Forskningsråd og offentliggjort i dag i Astrofysiske tidsskriftsbreve , observeret A2744_YD4, den yngste og mest fjerntliggende galakse nogensinde set ved brug af ALMA.

Holdet, ledet af Dr Nicolas Laporte (UCL Physics &Astronomy), var overrasket over at opdage, at denne ungdommelige galakse, hvis enorme afstand blev bekræftet med X-Shooter-instrumentet på ESO's Very Large Telescope, indeholdt en overflod af interstellart støv dannet ved døden af ​​en tidligere generation af stjerner.

Studieleder, Dr Nicolas Laporte, sagde:"Ikke kun er A2744_YD4 den fjerneste galakse, der endnu er observeret af ALMA, men påvisningen af ​​så meget støv indikerer, at tidlige supernovaer allerede må have forurenet denne galakse."

Kosmisk støv består hovedsageligt af silicium, kulstof og aluminium, i korn så små som en milliontedel af en centimeter på tværs. De kemiske grundstoffer i disse korn er smedet inde i stjerner og er spredt ud over kosmos, når stjernerne dør, mest spektakulært i supernovaeksplosioner, den endelige skæbne for kortvarige, massive stjerner.

I dag, dette støv er rigeligt og er en vigtig byggesten i dannelsen af ​​stjerner, planeter og komplekse molekyler; men i det tidlige univers, før de første generationer af stjerner døde ud, det var knapt.

Observationerne af den støvede galakse A2744_YD4 blev muliggjort, fordi denne galakse ligger bag en massiv galaksehob kaldet Abell 2744. Et fænomen kaldet gravitationslinser får klyngen til at fungere som et gigantisk kosmisk 'teleskop', forstørrer den fjernere A2744_YD4 med omkring 1,8 gange, giver holdet mulighed for at kigge langt tilbage i det tidlige univers.

ALMA-observationerne påviste også den glødende emission af ioniseret oxygen fra A2744_YD4. Dette er det fjerneste, og dermed tidligst, påvisning af ilt i universet.

"Hubble- og Spitzer-rumteleskoperne gav os vigtige oplysninger om afstanden til A2744_YD4, men det er kun takket være kraftfulde instrumenter som X-Shooter og ALMA, at vi kan bekræfte arten af ​​denne fjerne støvede galakse, " tilføjede Guido Roberts-Borsani (UCL Physics &Astronomy), Ph.d.-studerende og medforfatter til undersøgelsen.

Påvisningen af ​​støv i det tidlige univers giver nye oplysninger om, hvornår de første supernovaer eksploderede og dermed tidspunktet, hvor de første varme stjerner badede universet i lys. At bestemme tidspunktet for denne 'kosmiske daggry' er en af ​​de hellige grale i moderne astronomi, og det kan indirekte undersøges gennem studiet af tidligt interstellart støv.

Holdet vurderer, at A2744_YD4 indeholdt en mængde støv svarende til 6 millioner gange vores sols masse, mens galaksens samlede stjernemasse – massen af ​​alle dens stjerner – var to milliarder gange vores Sols masse. Holdet målte også stjernedannelseshastigheden i A2744_YD4 og fandt ud af, at stjerner dannes med en hastighed på 20 solmasser om året - sammenlignet med kun én solmasse om året i Mælkevejen.

"Denne hastighed er ikke usædvanlig for en så fjern galakse, men det kaster lys over, hvor hurtigt støvet i A2744_YD4 dannede sig, " forklarede professor Richard Ellis (ESO og UCL Fysik &Astronomi), medforfatter til undersøgelsen. "Bemærkelsesværdigt, den nødvendige tid er kun omkring 200 millioner år, så vi er vidne til denne galakse kort efter dens dannelse."

Det betyder, at betydelig stjernedannelse begyndte cirka 200 millioner år før den epoke, hvor galaksen observeres. Dette giver ALMA en fantastisk mulighed for at hjælpe med at studere æraen, hvor de første stjerner og galakser 'tændte' - den tidligste epoke, der endnu er blevet undersøgt. Vores sol, vores planet og vores eksistens er produkter – 13 milliarder år senere – af denne første generation af stjerner. Ved at studere deres dannelse, liv og død, vi udforsker vores oprindelse.

"Med ALMA, udsigterne til at udføre dybere og mere omfattende observationer af lignende galakser på disse tidlige tidspunkter er meget lovende, " sagde professor Ellis.

Dr. Laporte konkluderede:"Yderligere målinger af denne art tilbyder den spændende udsigt til at spore tidlig stjernedannelse og skabelsen af ​​de tungere kemiske grundstoffer endnu længere tilbage i det tidlige univers."