Mycket syre fanns i det tidiga universum, avslöjar JWST – Physics World

Mycket syre fanns i det tidiga universum, avslöjar JWST – Physics World

Tidsstämpel: 6 december 2023 11:59

NIRSpec
Framkant: NIRSpec förbereds för lanseringen av JWST. (Med tillstånd: Astrium/NIRSpec)

Med hjälp av en banbrytande spektrograf på rymdteleskopet James Webb (JWST) har astronomer hittat bevis för att interstellärt syre var mycket rikligare i många forntida galaxer än man tidigare trott. Ledd av Kimihiko Nakajima vid National Astronomical Observatory of Japan hoppas teamet att deras observationer skulle kunna förbättra vår förståelse av det tidiga universum.

Big Bang skapade ett tidigt universum som var gjord av väte och helium, med en liten bit litium – och denna materia smälte samman och bildade de första stjärnorna och galaxerna. Tyngre grundämnen som syre skapades sedan genom kärnfusion i dessa stjärnors kärnor. När stjärnorna exploderade som supernovor spreds tunga grundämnen över hela galaxer, vilket för alltid förändrade den kemiska sammansättningen av kosmos.

"Gasfasmetallicitet" är en observationsparameter som beskriver förekomsten av dessa tyngre grundämnen i galaxer (astronomer använder termen metall för alla grundämnen som är tyngre än helium). Dess värde är avgörande för att förstå en galaxs evolutionära historia, såväl som för att förutsäga när komplexa molekyler – livets möjliga byggstenar – kan börja dyka upp.

Pålitlig mätare

En tillförlitlig mätare av en galaxs gasfasmetallicitet är mängden joniserat syre i dess interstellära medium. Denna mängd kan bestämmas genom att observera det karakteristiska ljuset som sänds ut av syre. Men detta tillvägagångssätt har sina gränser när man observerar det mycket tidiga universum.

"Tidigare observationer hade redan avslöjat närvaron av rikligt med syre i galaxer ungefär två miljarder år efter Big Bang," förklarar Nakajima. "Men ljuset från galaxer som existerade ännu längre tillbaka i tiden påverkas avsevärt av universums expansion, vilket gör att det skiftar in i det nära-infraröda området."

Nu har Nakajima och kollegor observerat detta rödskiftade ljus med hjälp av JWST:s Nära infraröd spektrograf (NIRSpec) – och detta har gjort det möjligt för dem att göra ett genombrott när det gäller att mäta gasfasmetalliciteten i antika galaxer.

Genombrottsobservationer

"Vi identifierade 138 forntida galaxer som existerade för över 12 miljarder år sedan och bestämde deras syreförekomster, en analysnivå som nästan var omöjlig före lanseringen av JWST," entusiasmerar Nakajima. "Vi utvecklade och tillämpade noggrant avancerade analystekniker på NIRSpec-data, och genomförde analyser i en skala flera gånger större än tidigare studier."

Deras resultat avslöjar att i alla utom ett fåtal av de äldsta galaxerna som observerats av NIRSpec, var sammansättningen av det interstellära mediet anmärkningsvärt bekant. "De flesta av galaxerna hade syreöverflöd som liknar moderna galaxer", säger Nakajima. Men sex av de äldsta galaxerna som fanns när universum bara var 500–700 miljoner år gammalt hade mycket mindre syre än moderna galaxer.

Med denna upptäckt kunde teamet närmare peka ut när universums elementära sammansättning började förändras. "Resultaten visar en snabb och dramatisk ökning av mängden syre i galaxer under de första 500-700 miljoner åren efter universums födelse", säger Nakajima. "Detta fynd kan tyda på att, med nödvändiga ingredienser som syre som redan är lättillgängligt i det tidiga universum, kan livet ha uppstått tidigare än man tidigare trott."

Teamet spekulerar i att denna plötsliga förändring kan ha orsakats av skillnader i karaktären av stjärnbildning i det tidiga universum, såväl som material som flödar in och ut ur dess galaxer. Genom ytterligare observationer med NIRSpec, kombinerat med mer djupgående statistiska beräkningar, kommer de nu att sikta på att bygga en mer robust teori i sitt framtida arbete.

Observationerna beskrivs i The Astrophysical Journal Supplement Series.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden