Astronomer hittade ett orördt gasmoln i närheten av en av de mest avlägsna kvasarerna som är kända, sett bara 850 miljoner efter Big Bang (1/14 av universums nuvarande ålder). Gasmolnet absorberar en del av ljuset från bakgrundskvasaren, lämnar signaturer som gör det möjligt för astronomer att studera dess kemiska sammansättning. Detta är det mest avlägsna gasmoln för vilket astronomer hittills har kunnat mäta en metallicitet. Detta system har en av de minsta mängder metaller som någonsin identifierats i ett gasmoln, men förhållandet mellan dess kemiska element liknar fortfarande det som observerats i mer utvecklade system. Kredit:Max Planck Society
Astronomer under ledning av Eduardo Bañados från Max Planck Institute for Astronomy har upptäckt ett gasmoln som innehåller information om en tidig fas av galax- och stjärnbildning, bara 850 miljoner år efter Big Bang. Molnet hittades slumpmässigt under observationer av en avlägsen kvasar, och den har de egenskaper som astronomer förväntar sig av föregångarna till moderna dvärggalaxer. När det gäller relativa överflöd, molnets kemi är förvånansvärt modern, visar att de första stjärnorna i universum måste ha bildats mycket snabbt efter Big Bang. Resultaten har publicerats i Astrofysisk tidskrift .
När astronomer tittar på avlägsna föremål, de ser med nödvändighet tillbaka i tiden. Gasmolnet som upptäcktes av Bañados et al. är så avlägset att dess ljus har tagit nästan 13 miljarder år att nå oss; omvänt, ljuset som når oss nu berättar hur gasmolnet såg ut för nästan 13 miljarder år sedan, inte mer än cirka 850 miljoner år efter Big Bang. För astronomer, detta är en extremt intressant epok. Inom de första flera hundra miljoner åren efter Big Bang, de första stjärnorna och galaxerna bildades, men detaljerna i den komplexa evolutionen är fortfarande i stort sett okända.
Detta mycket avlägsna gasmoln var en slumpmässig upptäckt. Bañados, sedan på Carnegie Institution for Science, och hans kollegor följde upp flera kvasarer från en undersökning av 15 av de mest avlägsna kvasarerna som är kända (z³6,5), som hade utarbetats av Chiara Mazzucchelli som en del av hennes doktorsexamen. forskning vid Max Planck Institute for Astronomy. I början, forskarna noterade just att kvasaren P183+05 hade ett ganska ovanligt spektrum. Men när Bañados analyserade ett mer detaljerat spektrum, erhållen med Magellan-teleskopen vid Las Campanas-observatoriet i Chile, han insåg att det var något annat på gång:De konstiga spektraldragen var spåren av ett gasmoln som var mycket nära den avlägsna kvasaren – ett av de mest avlägsna gasmoln astronomer hittills har kunnat identifiera.
Upplyst av en avlägsen kvasar
Kvasarer är de extremt ljusa aktiva kärnorna i avlägsna galaxer. Drivkraften bakom deras ljusstyrka är galaxens centrala supermassiva svarta hål. Materia som virvlar runt det svarta hålet (innan den faller i) värms upp till temperaturer som når hundratusentals grader, avger enorma mängder strålning. Detta gör det möjligt för astronomer att använda kvasarer som bakgrundskällor för att detektera väte och andra kemiska element i absorption:Om ett gasmoln är direkt mellan observatören och en avlägsen kvasar, en del av kvasarens ljus kommer att absorberas.
Astronomer kan upptäcka denna absorption genom att studera kvasarens spektrum, det är, den regnbågsliknande nedbrytningen av kvasarens ljus i de olika våglängdsområdena. Absorptionsmönstret innehåller information om gasmolnets kemiska sammansättning, temperatur, täthet och till och med om molnets avstånd från oss (och från kvasaren). Bakom detta ligger det faktum att varje kemiskt element har ett "fingeravtryck" av spektrallinjer - smala våglängdsområde där det elementets atomer kan avge eller absorbera ljus särskilt väl. Närvaron av ett karakteristiskt fingeravtryck avslöjar närvaron och överflöd av ett specifikt kemiskt element.
Inte riktigt molnet de letade efter
Från gasmolnets spektrum, forskarna kunde omedelbart se avståndet till molnet, och att de såg tillbaka in i den första miljarden år av kosmisk historia. De hittade också spår av flera kemiska grundämnen inklusive kol, syre, järn, och magnesium. Dock, mängden av dessa element var liten, ungefär 1/800 gånger överflöd i atmosfären av vår sol. Astronomer kallar sammanfattningsvis alla grundämnen tyngre än helium för "metaller"; denna mätning gör gasmolnet till ett av de mest metallfattiga (och avlägsna) systemen som är kända i universum. Michael Rauch från Carnegie Institute of Science, som är medförfattare till den nya studien, säger:"Efter att vi var övertygade om att vi tittade på sådan orörd gas bara 850 miljoner år efter Big Bang började vi undra om detta system fortfarande kunde behålla kemiska signaturer producerade av den allra första generationen stjärnor."
Att hitta dessa första generationen, så kallade "population III"-stjärnor är ett av de viktigaste målen för att rekonstruera universums historia. I det senare universum, kemiska grundämnen tyngre än väte spelar en viktig roll för att låta gasmoln kollapsa och bilda stjärnor. Men de kemiska elementen, särskilt kol, produceras själva i stjärnor, och kastades ut i rymden i supernovaexplosioner. För de första stjärnorna, dessa kemiska facilitatorer skulle helt enkelt inte ha varit där, sedan direkt efter Big Bang-fasen, det fanns bara väte- och heliumatomer. Det är det som gör de första stjärnorna fundamentalt olika från alla senare stjärnor.
Analysen visade att molnets kemiska sammansättning inte var kemiskt primitiv, men istället var de relativa mängderna förvånansvärt lika de kemiska mängderna som observerades i dagens intergalaktiska gasmoln. Förhållandena mellan mängderna av tyngre grundämnen var mycket nära förhållandena i det moderna universum. Det faktum att detta gasmoln i det mycket tidiga universum redan innehåller metaller med moderna relativa kemiska förekomster utgör viktiga utmaningar för bildandet av den första generationen stjärnor.
Så många stjärnor, så lite tid
Den här studien antyder att bildandet av de första stjärnorna i detta system måste ha börjat mycket tidigare:de kemiska avkastningarna som förväntas från de första stjärnorna hade redan raderats av explosionerna av åtminstone ytterligare en generation av stjärnor. En speciell tidsbegränsning kommer från supernovor av typ Ia, kosmiska explosioner som skulle krävas för att producera metaller med de observerade relativa mängderna. Sådana supernovor behöver vanligtvis cirka 1 miljard år för att hända, vilket sätter en allvarlig begränsning för alla scenarier av hur de första stjärnorna bildades.
Nu när astronomerna har hittat detta mycket tidiga moln, de letar systematiskt efter ytterligare exempel. Eduardo Bañados säger:"Det är spännande att vi kan mäta metallicitet och kemiska förekomster så tidigt i universums historia, men om vi vill identifiera signaturerna för de första stjärnorna måste vi undersöka ännu tidigare i den kosmiska historien. Jag är optimistisk att vi kommer att hitta ännu mer avlägsna gasmoln, som kan hjälpa oss att förstå hur de första stjärnorna föddes."
Resultaten som beskrivs här har publicerats i Bañados et al., "Ett metallfattigt dämpat Lyαsystem vid rödförskjutning 6.4, "i Astrofysisk tidskrift .
