Vroeg heelal: het meest verre sterrenstelsel ‘JADES-GS-z14-0’ daagt sterrenstelselformatiemodellen uit  

Spectrale analyse van het lichtgevende sterrenstelsel JADES-GS-z14-0, gebaseerd op waarnemingen gedaan in januari 2024, onthulde een roodverschuiving van 14.32, wat dit het meest verre sterrenstelsel maakt dat we kennen (het vorige meest verre sterrenstelsel dat we kenden was JADES-GS-z13-0 met de roodverschuiving van z = 13.2). Het werd ongeveer 290 miljoen jaar na de oerknal in het vroege heelal gevormd. De overvloedige hoeveelheid sterlicht impliceert dat het een enorme massa heeft en een afmeting heeft van meer dan 1,600 lichtjaar. Zo'n lichtgevend, massief en groot sterrenstelsel in het vroege heelal bij kosmische dageraad tart het huidige begrip van de vorming van sterrenstelsels. De eerste sterren in het universum waren Pop III-sterren met nul-metaal of extreem laag-metaal. Uit onderzoek van de infraroodeigenschappen van het JADES-GS-z14-0-sterrenstelsel blijkt echter de aanwezigheid van zuurstof, wat metaalverrijking betekent, wat impliceert dat generaties zware sterren hun levensloop vanaf de geboorte tot de supernova-explosie al ongeveer 290 miljoen jaar in het vroege heelal hadden voltooid. De eigenschappen van dit sterrenstelsel staan ​​dus op gespannen voet met het huidige inzicht in de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal.   

Het zeer vroege heelal, ongeveer 380,000 jaar na de oerknal, was gevuld met geïoniseerde gassen en was volledig ondoorzichtig vanwege de verstrooiing van fotonen door de vrije elektronen. Dit werd gevolgd door het neutrale tijdperk van het vroege heelal dat ongeveer 400 miljoen jaar duurde. In dit tijdperk was het universum neutraal en transparant. Het eerste licht verscheen toen het heelal transparant werd, werd rood en verschoof naar het microgolfbereik als gevolg van uitdijing, en wordt nu waargenomen als kosmische microgolfachtergrond (CMB). Omdat het heelal gevuld was met neutrale gassen, werd er geen optisch signaal uitgezonden (vandaar de donkere eeuw genoemd). Niet-geïoniseerde materialen zenden geen licht uit, wat problemen veroorzaakt bij het bestuderen van het vroege universum uit een neutraal tijdperk. Microgolfstraling met een golflengte van 21 cm (overeenkomend met 1420 MHz) die tijdens dit tijdperk door het koude, neutrale kosmische waterstof wordt uitgezonden als gevolg van de hyperfijne overgang van parallelle spin naar stabielere anti-parallelle spin, biedt astronomen echter kansen. Deze microgolfstraling van 21 cm zou bij het bereiken van de aarde roodverschoven worden en zal bij frequenties van 200 MHz tot 10 MHz worden waargenomen als radiogolven. De REACH (Radio-experiment voor de analyse van kosmische waterstof) Het experiment heeft tot doel een ongrijpbare lijn van 21 cm van kosmische waterstof te detecteren.  

Het tijdperk van reïonisatie was het volgende tijdperk in de geschiedenis van het vroege heelal, dat duurde van ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal tot 1 miljard jaar. De gassen werden opnieuw geïoniseerd als gevolg van de hoogenergetische UV-straling die door de krachtige vroege sterren werd uitgezonden. De vorming van sterrenstelsels en quasars begon in dit tijdperk. De lichten van dit tijdperk zijn rood verschoven naar rode en infrarode gebieden. Diepveldstudies van Huble vormden een nieuw begin in de studie van het vroege heelal, maar de reikwijdte ervan bij het vastleggen van oerlicht was beperkt. Er was een infraroodobservatorium in de ruimte nodig. JWST is uitsluitend gespecialiseerd in infraroodastronomie het vroege heelal bestuderen. 

James Webb Space Telescope (JWST) werd gelanceerd op 25 december 2021. Vervolgens werd tt in een baan geplaatst nabij het Zon-Aarde L2 Lagrange-punt, ongeveer 1.5 miljoen km van de aarde. Het werd volledig operationeel in juli 2022. Met behulp van belangrijke wetenschappelijke instrumenten aan boord, zoals NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), zoekt JWST naar optische/infraroodsignalen van de vroege sterren en sterrenstelsels. gevormd in het heelal voor een beter begrip van de vorming en evolutie van sterrenstelsels en de vorming van sterren en planetaire systemen. In de afgelopen twee jaar heeft dit fascinerende resultaten opgeleverd bij de verkenning van de kosmische dageraad (dwz de periode in de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal waarin de eerste sterrenstelsels werden geboren).  

JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-programma 

Dit programma heeft tot doel de evolutie van sterrenstelsels te bestuderen van hoge roodverschuiving tot kosmische middag door middel van infraroodbeeldvorming en spectroscopie in de diepe velden van GOODS-S en GOODS-N.  

In het eerste jaar stuitten de JADES-onderzoekers op honderden kandidaat-sterrenstelsels uit de eerste 650 miljoen jaar na de oerknal. Begin 2023 vonden ze een sterrenstelsel in hun dataset dat een roodverschuiving van 14 leek te hebben, wat suggereert dat het een extreem ver sterrenstelsel moest zijn, maar dat het erg helder was. Bovendien leek het vanwege de nabijheid deel uit te maken van een ander sterrenstelsel. Daarom observeerden ze die winst in oktober 2023. De nieuwe gegevens ondersteunden een roodverschuiving van 14. Een spectrum van dit sterrenstelsel was nodig om de locatie van de Lyman-alpha-breuk in het spectrum te identificeren, de roodverschuiving te meten en de leeftijd te bepalen. 

Lyman-alfa is een spectrale emissielijn van waterstof in de Lyman-reeks wanneer elektronen overgaan van n=2 naar n=1. Het punt van Lyman-alpha-breuk in het spectrum komt overeen met de waargenomen golflengte (λ_opgemerkt). De roodverschuiving (z) kan worden berekend volgens de formule z = (λ_opgemerkt – λ_rest) / λ_rest 

JADES-GS-z14-0-stelsel    

Dienovereenkomstig werd het sterrenstelsel in januari 2024 opnieuw waargenomen met behulp van NIRCam (Near Infrared Camera) en NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Spectrale analyse leverde duidelijk bewijs op dat het sterrenstelsel een roodverschuiving van 14.32 had, waardoor het het verst verwijderde sterrenstelsel is dat we kennen (vorig record van meest verre sterrenstelsels (JADES-GS-z13-0 bij de roodverschuiving van z = 13.2). Het heette JADES -GS-z14-0, een lichtgevend sterrenstelsel op een afstand van 13.5 miljard lichtjaar. Bovendien was het sterrenstelsel ruim 1,600 lichtjaar groot, wat erop duidde dat jonge sterren de bron van zijn helderheid waren Van een sterrenstelsel dat minder dan 300 miljoen jaar na de oerknal bestaat, wordt niet verwacht dat het zulke eigenschappen heeft. Het past niet goed in de bestaande modellen voor de vorming van sterrenstelsels.  

Er waren nog meer verrassingen in petto.  

Onderzoekers konden JADES-GS-z14-0 op langere golflengten detecteren met behulp van MIRI (Mid-Infrared Instrument). Dit betekende het vastleggen van emissies in het zichtbare lichtbereik van dit sterrenstelsel die roodverschoven waren en buiten bereik kwamen voor nabij-infraroodinstrumenten. Analyse onthulde de aanwezigheid van geïoniseerde zuurstof, wat een hoge metalliciteit van de sterren impliceert. Dit is alleen mogelijk als vele generaties sterren hun levensloop al hebben geleefd.  

De eerste sterren in het heelal bevatten nul-metaal of extreem-laag-metaal. Ze worden Pop III-sterren of Populatie III-sterren genoemd. Low metalsterren zijn Pop II-sterren. Jonge sterren hebben een hoog metaalgehalte en worden “Pop I-sterren” of de solaire metaalsterren genoemd. Met een relatief hoge metalliciteit van 1.4% is de zon een recente ster. In de astronomie wordt elk element dat zwaarder is dan helium als een metaal beschouwd. Chemische niet-metalen zoals zuurstof, stikstof enz. Zijn metalen in kosmologische context. Sterren krijgen metaal verrijkt in elke generatie na een supernova-gebeurtenis. Een toenemend metaalgehalte in sterren duidt op een jongere leeftijd.   

Aangezien de leeftijd van het sterrenstelsel JADES-GS-z14-0 minder dan 300 miljoen jaar na de oerknal ligt, zouden de sterren in dit sterrenstelsel Pop III-sterren moeten zijn zonder metaalgehalte. MIRI van JWST constateerde echter wel de aanwezigheid van zuurstof.  

In het licht van de bovenstaande waarnemingen en bevindingen komen de eigenschappen van het vroege heelalstelsel JADES-GS-z14-0 niet overeen met het huidige inzicht in de vorming van sterrenstelsels. Hoe kan een sterrenstelsel met dergelijke kenmerken gedateerd worden op 290 miljoen jaar na de Bing Bang? Het is mogelijk dat er in de toekomst veel van dit soort sterrenstelsels ontdekt zullen worden. Misschien bestond er tijdens de Kosmische Dageraad een diversiteit aan sterrenstelsels. 

*** 

Referenties:  

1. Carniani, S., c.s.. 2024. Spectroscopische bevestiging van twee lichtgevende sterrenstelsels met een roodverschuiving van 14. Natuur (2024). Gepubliceerd op 24 juli 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Preprint bij axRiv. Ingediend op 28 mei 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. HeltonJM, c.s. 2024. JWST/MIRI fotometrische detectie op 7.7 μm van het stellaire continuüm en nevelemissie in een sterrenstelsel op z>14. Preprint bij axRiv. Ingediend op 28 mei 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. De NASA James Webb-ruimtetelescoop. Vroege hoogtepunten – NASA's James Webb-ruimtetelescoop vindt het meest verre bekende sterrenstelsel. Geplaatst op 30 mei 2024. Beschikbaar op https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

***