A James Webb űrteleszkóp (NASA/ESA/CSA) egyedülálló infravörös érzékenységét kihasználva a kutatók a legősibb galaxisokat is vizsgálhatják, hogy feltárják a korai Univerzum titkait. Egy nemzetközi csillagászcsoport most egy olyan galaxis fényes hidrogénemisszióját azonosította, amely már az Univerzum történetének váratlanul korai időszakában létezett. A meglepő felfedezés kihívás elé állítja a kutatókat: meg kell magyarázniuk, hogyan hatolhatott át ez a fény a semleges hidrogén sűrű ködén, amely akkoriban betöltötte az űrt.
A James Webb űrteleszkóp legfontosabb tudományos céljai közül az egyik, hogy minden eddiginél korábbra tekinthessünk az Univerzum múltjába, egészen addig, amikor az ősrobbanás után az első galaxisok kialakultak. Ez a kutatás már eddig is rekorddöntő galaxisokat eredményezett olyan megfigyelési programokban, mint például a JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). A Webb infravörös tartománybeli rendkívüli érzékenysége teljesen új lehetőségeket nyit meg azon kutatások előtt is, amelyek azt vizsgálják, hogy mikor és hogyan alakultak ki ezek a galaxisok, és milyen hatással voltak az Univerzumra a kozmikus hajnalnak nevezett időszakban. Az egyik ilyen nagyon korai galaxist tanulmányozó kutatók most a galaxis színképének elemzésével olyan felfedezést tettek, amely megkérdőjelezheti az Univerzum korai történetéről alkotott eddigi elképzeléseinket.
A JADES-program keretében a Webb NIRCam (Near-Infrared Camera) nevű infravörös kamerája által készített felvételeken fedezték fel a hihetetlenül távoli JADES-GS-z13-1 katalógusjelű galaxist, mindössze 330 millió évvel az ősrobbanás utáni állapotában. A kutatók a galaxis különböző infravörös szűrőkön keresztül mért fényességértékeit arra használták, hogy becslést adjanak a vöröseltolódására, amely a galaxis Földtől mért távolságát adja meg az alapján, hogy a fényének hullámhossza mennyire nőtt meg a táguló térben megtett útja során.
A NIRCam kamerával rögzített képek alapján a vöröseltolódás mértékére 12,9 kezdeti értéket határoztak meg. Az extrém nagy vöröseltolódás megerősítésére a Joris Witstok (Cambridge-i Egyetem, Egyesült Királyság; Cosmic Dawn Center; Koppenhágai Egyetem, Dánia) által vezetett nemzetközi kutatócsoport a Webb közeli infravörös spektrográfjával (NIRSpec) is megfigyelte a galaxist.
Az így kapott spektrum alapján a vöröseltolódás 13,05-nak bizonyult. Ez mindössze 330 millió évvel az ősrobbanás utáni kornak felel meg, amely az Univerzum jelenlegi, 13,8 milliárd éves korának töredéke. Feltűnt azonban egy váratlan dolog is a színképben: egy különleges, kifejezetten fényes vonal, amelyet a hidrogénatomok által kibocsátott Lyman-α sugárzásként azonosítottak. (A Lyman-α sugárzás akkor keletkezik, amikor a hidrogénatomban az elektronok az első gerjesztési szintről az alapállapotba ugranak vissza.) A vonal tulajdonságai alapján ez a sugárzás sokkal erősebb, mint amit a csillagászok az Univerzum fejlődésének e korai szakaszában lehetségesnek tartottak.
„A korai Univerzum a semleges hidrogén sűrű ködébe burkolózott” ‒ magyarázza Roberto Maiolino, a Cambridge-i Egyetem és a University College London munkatársa. „Ennek a ködnek nagy része eltűnt a reionizációnak nevezett folyamat során, amely körülbelül egymilliárd évvel az ősrobbanás után fejeződött be. A GS-z13-1-et abban az állapotában látjuk, amikor az Univerzum még csak 330 millió éves volt, mégis meglepően tiszta, árulkodó Lyman-α emissziót mutat, amely csak akkor látható, ha a környező köd már teljesen eltűnt. Ez az eredmény teljesen váratlan a korai galaxisképződéssel kapcsolatos jelenlegi elméleteink tükrében, és meglepte a csillagászokat.”
A reionizáció korszaka az Univerzum történetének egy nagyon korai szakasza volt, amely a rekombináció (az ősrobbanást követő első szakasz) után következett be. A rekombináció során az Univerzum eléggé lehűlt ahhoz, hogy az elektronok és a protonok semleges hidrogénatomokká egyesülhessenek. A reionizáció akkor kezdődött, amikor sűrűbb gázfelhők kezdtek kialakulni, amelyekből csillagok és végül egész galaxisok jöttek létre. Ezek rengeteg ultraibolya fotont termeltek, amelyek fokozatosan újra ionizálták (reionizáció) a hidrogént. Mivel a semleges hidrogéngáz nem átlátszó a nagy energiájú ultraibolya fény számára, ebben a korszakban csak hosszabb hullámhosszon láthatjuk a galaxisokat, amíg nem hoznak létre maguk körül egy ionizált gázból álló „buborékot”, amelyen keresztül az ultraibolya fényük már el tud szökni, és eljut hozzánk.
A reionizáció korszaka előtt és alatt a galaxisokat körülvevő hatalmas mennyiségű semleges hidrogénköd elzárta az általuk kibocsátott nagy energiájú ultraibolya sugárzást. Amíg nem alakult ki elegendő csillag, amely képes volt ionizálni a hidrogéngázt, addig az ilyen fény ‒ beleértve a Lyman-α emissziót is ‒ nem tudott eljutni ezekből a fiatal galaxisokból a Földre. Egy ilyen fiatal galaxisból érkező Lyman-α sugárzás detektálása ezért nagy hatással van a korai Univerzummal kapcsolatos tudásunkra. Kevin Hainline, a kutatócsoport tagja, az egyesült államokbeli Arizonai Egyetem munkatársa így összegzi ezt: „Az Univerzum fejlődéséről alkotott ismereteink alapján nem lett volna szabad ilyen galaxist találnunk. Úgy gondolhatunk a korai Univerzumra, mintha az sűrű ködbe burkolózna, amely még a legerősebb ,világítótornyok’ megpillantását is rendkívüli módon megnehezíti, itt mégis azt látjuk, hogy ennek a galaxisnak a fénye áttörte ezt a fátylat. Ennek a lenyűgöző emissziós vonalnak óriási következményei vannak azon elképzeléseinkre nézve, hogy mikor és hogyan ionizálódott újra az Univerzum.”
A galaxisból származó Lyman-α sugárzás forrása még nem ismert, lehet, hogy az Univerzumban kialakuló csillagok legkorábbi generációjának első fényét látjuk. „A galaxist körülvevő ionizált hidrogén nagy buborékát egy sajátos csillagpopuláció hozhatta létre, amelynek tagjai sokkal nagyobb tömegűek, forróbbak és fényesebbek, mint a későbbi korszakokban keletkezett csillagok, és valószínűleg a csillagok első generációját képviselik” ‒ magyarázza Witstok. A csoport által felvázolt másik lehetőség egy aktív galaxismag (active galactic nuclei, AGN), amelyet az első szupernagy tömegű fekete lyukak egyike hajthatott. Az aktív galaxismagok rendkívül intenzív sugárzást kibocsátó régiók a galaxisok centrumában. A központi szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő és abba majd behulló anyagból álló akkréciós korong táplálja. A fekete lyuk körül keringő anyag a belső súrlódás miatt olyan extrém hőmérsékletre hevül, hogy nagy energiájú ultraibolya fényt, sőt röntgensugárzást is kibocsát, amelynek intenzitása vetekszik az egész gazdagalaxis fényességével.
Az új eredmények nem születhettek volna meg a Webb közeli infravörös tartománybeli hihetetlen érzékenysége nélkül, amely nemcsak az ilyen távoli galaxisok megtalálásához, hanem színképük részletes vizsgálatához is szükséges. „A Hubble űrteleszkóp nyomdokain haladva egyértelmű volt, hogy a Webb egyre távolabbi galaxisok megtalálására lesz képes. Ahogyan azonban a GS-z13-1 esete is bizonyította, a kozmikus idők kezdetén keletkező csillagok és fekete lyukak természetével kapcsolatban mindig meglepetésekre számíthatunk” ‒ emlékeztet Peter Jakobsen, a Cosmic Dawn Center és a Koppenhágai Egyetem munkatársa, a NIRSpec-projekt korábbi kutatója.
A kutatócsoport további megfigyeléseket tervez a GS-z13-1 galaxisról, hogy több információt szerezzenek annak természetéről és az intenzív Lyman-α sugárzás eredetéről. Bármit rejt is a galaxis, az biztos, hogy a kozmológia egy új területét fogja megnyitni. Információkat a James Webb űrtávcsővel tervezett hazai kutatásokról a Meteor 2021. júniusi számában olvashatunk.
Forrás: weic2505 ‒ Science Release
