Galaktyka z granic czasu: Webb zagląda 280 milionów lat po Wielkim Wybuchu

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znów przesuwa granice tego, jak daleko w przeszłość potrafimy zajrzeć. Najnowsze obserwacje potwierdziły istnienie galaktyki o nazwie MoM‑z14, której światło wyruszyło w drogę zaledwie około 280 milionów lat po Wielkim Wybuchu – to jeden z najwcześniejszych etapów historii Wszechświata, do jakich udało się dotrzeć astronomom.

MoM‑z14 ustanawia nowy rekord odległości i wieku, jednocześnie okazując się znacznie jaśniejsza i bardziej dojrzała, niż przewidywały modele kosmologiczne. Dla badaczy to sygnał, że wczesny Wszechświat był znacznie bardziej dynamicznym miejscem, niż dotąd sądzono.

Jak widzimy galaktykę sprzed 13,5 miliarda lat?

Kiedy mówimy, że MoM‑z14 istnieje tak krótko po Wielkim Wybuchu, nie chodzi o prosty pomiar odległości linijką, lecz o analizę światła tej galaktyki. Zespół kierowany przez Rohana Naidua z MIT zmierzył tak zwane przesunięcie ku czerwieni – parametr oznaczany literą z, który mówi, jak bardzo rozciągnęły się fale świetlne w czasie podróży przez rozszerzający się Wszechświat.

Dla MoM‑z14 wartość ta wynosi z = 14,44. Oznacza to, że światło emitowane pierwotnie w ultrafiolecie i świetle widzialnym zostało rozciągnięte w stronę podczerwieni, a jego podróż trwała około 13,5 miliarda lat – niemal tyle, ile wynosi wiek Wszechświata (szacowany na 13,8 miliarda lat). Tego typu pomiar jest możliwy dzięki instrumentowi NIRSpec na pokładzie Webba, który rozkłada światło galaktyki na tęczę i pozwala precyzyjnie określić jej odległość.

Zadziwiająco jasna i wyrośnięta jak na swój wiek

MoM‑z14 nie jest po prostu małą plamką światła skrywającą kilka pierwszych gwiazd. Astronomowie szacują, że galaktyka ta jest nawet około 100 razy jaśniejsza, niż przewidywały symulacje dla tak wczesnych epok kosmicznych. To sugeruje, że we wnętrzu MoM‑z14 musiały bardzo szybko narodzić się liczne, masywne gwiazdy, a procesy gwiazdotwórcze przebiegały wyjątkowo intensywnie.

Pod względem rozmiarów MoM‑z14 jest jednak wielokrotnie mniejsza od Drogi Mlecznej – można ją sobie wyobrazić jako kompaktowe, gęsto upakowane gniazdo młodych gwiazd. Połączenie niewielkich rozmiarów z ogromną jasnością sprawia, że naukowcy muszą na nowo przyjrzeć się temu, jak szybko galaktyki mogły rosnąć i ewoluować tuż po Wielkim Wybuchu.

Chemiczna zagadka: zaskakująco dużo azotu

Jednym z najbardziej zaskakujących elementów w danych z Webba jest skład chemiczny MoM‑z14. Ślady promieniowania z tej galaktyki wskazują na nieoczekiwanie wysoką zawartość azotu względem innych pierwiastków, takich jak węgiel – a to w tak młodym Wszechświecie jest dużą niespodzianką.

Cięższe pierwiastki zwykle powstają w kilku pokoleniach gwiazd: pierwsze gwiazdy syntetyzują nowe pierwiastki, po czym wybuchają, wzbogacając gaz, z którego powstają kolejne generacje. W 280 milionów lat od Wielkiego Wybuchu czasu na takie przepalanie materii jest bardzo mało. Jedna z hipotez mówi, że we wczesnym, gęstym Wszechświecie mogły powstawać supermasywne gwiazdy, znacznie większe niż te znane nam z dzisiejszego kosmosu, zdolne w krótkim czasie wyprodukować duże ilości azotu.

Co ciekawe, podobne sygnały wzbogacenia azotem astronomowie widzą w najstarszych gwiazdach Drogi Mlecznej, traktowanych jako skamieniałości po wczesnych epokach kosmosu. To sugeruje, że procesy, które widzimy dziś w MoM‑z14, mogły odgrywać ważną rolę również w historii naszej własnej Galaktyki.

MoM‑z14 a epoka rejonizacji: kiedy kosmos stał się przejrzysty?

Wkrótce po Wielkim Wybuchu Wszechświat był wypełniony gęstą, neutralną chmurą wodoru, która skutecznie pochłaniała wysokoenergetyczne światło. Ten okres nazywa się wieki ciemne – zanim zapaliły się pierwsze gwiazdy, przestrzeń była nieprzejrzysta, niczym kosmiczna mgła.

Pojawienie się jasnych galaktyk, takich jak MoM‑z14, zapoczątkowało tzw. epokę rejonizacji. Intensywne promieniowanie ultrafioletowe z pierwszych gwiazd zaczęło jonizować wodór, rozdzielając atomy na protony i elektrony, i stopniowo przebijając się przez gazową zasłonę. Dane z Webba sugerują, że MoM‑z14 już wtedy aktywnie czyściła przestrzeń wokół siebie, tworząc przejrzyste bąble w otaczającym ją wodorze – a więc była jednym z aktorów tej wielkiej kosmicznej przemiany.

Mapa takich galaktyk i ich wpływu na otoczenie pozwala astronomom odtworzyć, kiedy dokładnie Wszechświat stał się przezroczysty dla światła i jak szybko postępowała rejonizacja.

Co dalej? Nowe pytania o wczesny Wszechświat

MoM‑z14 nie jest pojedynczym dziwakiem, lecz częścią rosnącej grupy bardzo jasnych, zaskakująco rozwiniętych galaktyk odkrywanych przez Webba w pierwszych setkach milionów lat po Wielkim Wybuchu. Razem tworzą obraz kosmosu, w którym struktury – gwiazdy, galaktyki, a może i pierwsze czarne dziury – pojawiają się szybciej i w większej liczbie, niż przewidywały wcześniejsze modele.

Dla kosmologii to dobra wiadomość: każda taka niezgodność między teorią a obserwacjami jest szansą na lepsze zrozumienie praw rządzących Wszechświatem. Kolejne kampanie obserwacyjne Webba, a w przyszłości także teleskop Nancy Grace Roman, pozwolą zbudować statystycznie duże próbki tak wczesnych galaktyk i sprawdzić, które z dzisiejszych hipotez przetrwają próbę czasu.

Niezależnie od wyników jedno jest pewne: MoM‑z14 staje się kolejnym kamieniem milowym na drodze do zrozumienia, jak z niemal jednorodnego, gorącego gazu po Wielkim Wybuchu powstał złożony, pełen struktur Wszechświat, w którym żyjemy.

Źródła:

• NASA: „NASA Webb Pushes Boundaries of Observable Universe Closer to Big Bang”
• ESA/Webb: „Webb pushes boundaries of observable Universe closer to Big Bang”

Opracowanie: Agnieszka Nowak