Już pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, gaz związany z młodymi galaktykami zawierał ciężkie pierwiastki i wykazywał oznaki ich „odpływu”. Zespół badawczy pod kierunkiem Webba postanowił sprawdzić, jak wcześnie produkty tych reakcji zaczęły przemieszczać się poza miejsca swojego powstania, osiągając interesujące wnioski.
Młode galaktyki szybko zaczynały tworzyć cięższe pierwiastki, co wprawiało gaz w ruch. Informacje te pochodzą z badań zespołu Yongdy Zhu z Uniwersytetu Arizony, opisanych w artykule opublikowanym w „Nature Astronomy”. Naukowcy przeanalizowali światło z trzech galaktyk, które podróżowało do nas przez ponad 13 miliardów lat, co niemal pokrywa się z wiekiem Wszechświata. Najwcześniejszy zbadany etap przypadał na okres około pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, kiedy kosmos był wciąż młody, ale już nie w formie niemowlęcej.
Dawno, dawno temu w odległej galaktyce…
Na początku skład Wszechświata był znacznie uboższy w porównaniu do składników, które znamy dzisiaj, w tym Ziemi, na której żyjemy. Dominowały głównie wodór i hel, które grawitacyjnie skupiały obłoki, dając początek gwiazdom. Tam miały miejsce reakcje jądrowe, w wyniku których powstawały cięższe pierwiastki, takie jak węgiel i tlen. Utrata materii przez gwiazdy oraz wybuchy supernowych uwalniały te pierwiastki do postaci gazu. Aby jednak zmienić skład chemiczny dalszych regionów kosmosu, wzbogacona materia musiała pokonać ogromne odległości poza obszary swojego narodzenia.
Badacze przyjrzeli się temu zjawisku, wykorzystując galaktyki jako źródła światła prześwietlającego gaz. Atomy i jony pochłaniają określone długości fal, co tworzy w analizie widma charakterystyczne ubytki, pozwalające na identyfikację pierwiastków w obłokach gazowych. Zespół przeanalizował publicznie dostępne widma setek galaktyk i zidentyfikował trzy obiekty z sygnałami absorpcji: węgla, tlenu i krzemu. Sygnały były jednak słabe i wymagały dalszych obserwacji; w jednym z zakresów instrumentu NIRSpec czas ekspozycji wyniósł blisko 30 godzin. Osprzęt teleskopu Webba działający w podczerwieni umożliwił uzyskanie ciekawych informacji o młodych gwiazdach.
Ruch jest. Cel? Nieznany
O tym, że analizowany gaz gdzieś się porusza, świadczy rozkład linii absorpcyjnych względem widma obiektu. Linie te były przesunięte w kierunku fal krótszych, co wskazuje na ruch materii w stronę obserwatora względem galaktyki. Dla gazu otaczającego gwiazdy taki sygnał sugeruje wypływ skierowany na zewnątrz. Przesunięcia te odpowiadały prędkościom w zakresie 50–250 kilometrów na sekundę, a jednocześnie wykryto pierwiastki w różnych stanach jonizacji, co sugeruje, że gaz występował w szczególnych warunkach fizycznych.
Nie znamy jednak zasięgu owego gazu ani jego ostatecznego celu. Autorzy badania biorą pod uwagę turbulentne ruchy w obrębie galaktyk oraz bardziej spektakularne przepływy, ale to nie rozwiązuje pytania o położenie wszystkich składników pochłaniających światło. Podobieństwo pewnych cech widmowych do znacznie późniejszych galaktyk sugeruje, że procesy przemieszczania wzbogaconej materii zaczęły działać zaskakująco wcześnie.
Owym gazem mogła być utrata „czystości”
Kluczowym konceptem jest tzw. obieg barionów, czyli obieg materii, z której powstają gwiazdy, obłoki gazowe i planety. Produkty jednej generacji gwiazd mogą być wykorzystane przez kolejne. Wczesne wskazówki dotyczące początku tego procesu zostały znalezione już w tzw. epoce rejonizacji, gdy promieniowanie pierwszych źródeł światła odrywało elektrony od atomów wodoru wędrującego między galaktykami. Zmiany stanu takiego gazu oraz wzbogacanie go w cięższe pierwiastki mogły jednak przebiegać jako odrębne procesy.
Czytaj również: * Największa znana galaktyka wciąż rośnie i nie przestaje zadziwiać badaczy.
Szybkie wzbogacanie materii dostarcza również możliwego wyjaśnienia dla trudności w poszukiwaniach gwiazd populacji III, czyli tych pierwszych, które powstały z gazu pozbawionego cięższych pierwiastków. Jeśli produkty wcześniejszych reakcji w gwiazdach szybko mieszały się z otoczeniem, to warunki do narodzin takich obiektów mogły zanikać względnie wcześnie. Wymaga to jednak dalszych badań, ponieważ trzy przypadki tego rodzaju nie pozwalają nam jednoznacznie określić, co tak naprawdę miało miejsce. Niemniej jednak, stanowi to interesującą wskazówkę, którą możemy wykorzystać w naszych przyszłych badaniach.