JWST objevil téměř nedotčenou galaxii z úsvitu vesmíru

Snímek z Webbova teleskopu JWST zachycuje mohutnou kupu galaxií MACS J0416 (v pozadí) a tříbarevný kompozitní obraz extrémně slabé galaxie LAP1-B (ve výřezu). Galaxie LAP1-B, která je na snímku z přístroje NIRCam neviditelná, byla detekována díky citlivým pozorováním emisí vodíku a kyslíku pomocí přístroje NIRSpec. Výřez znázorňuje rychlost a prostorové rozložení plynu (modrá: vodík Lyα; zelená: kyslík [OIII]; červená: vodík Hα), přičemž čára Lyα je pro větší přehlednost posunuta o 200 km/s.

Galaxie pozorovaná v podobě, v jaké existovala před 13 miliardami let, obsahuje pouze 1/240 množství kyslíku přítomného ve Slunci. Poskytuje tak vzácný pohled na to, jak mohli vypadat předchůdci těch nejslabších sousedů Mléčné dráhy. Některé z nejslabších galaxií v blízkosti Mléčné dráhy mohou být pozůstatky z nejranějšího období kosmické historie. Jejich prastaré hvězdy v sobě nesou stopy toho, jak galaxie vznikaly; astronomům se však dosud nedařilo propojit tyto blízké relikvie s malými, primitivními galaxiemi, které existovaly před miliardami let.

Mezinárodní výzkumný tým pod vedením Kimihika Nakadžimy z Kanazawa University nyní nalezl možnou souvislost. Drobná galaxie s označením LAP1-B – pozorovaná tak, jak vypadala před 13 miliardami let – obsahuje pozoruhodně málo kyslíku a vykazuje řadu znaků, které připomínají některé z nejstarších galaxií, jež se dodnes nacházejí v blízkosti Mléčné dráhy.

Tyto chemické důkazy nás přenášejí do doby, kdy vesmír teprve začínal získávat prvky, které známe dnes. Krátce po Velkém třesku byl vesmír tvořen především vodíkem a heliem. Těžší prvky, včetně uhlíku a kyslíku nezbytných pro život, vznikly až později uvnitř prvních generací hvězd a byly následně uvolněny do kosmického prostoru.

Galaxie téměř bez kyslíku
Astronomové již dlouho usilují o studium galaxií z tohoto raného období, aby pochopili, jak se v nich prvky poprvé nahromadily. Problém spočívá v tom, že takové galaxie jsou mimořádně malé a slabé, což značně ztěžuje určení jejich chemického složení – a to i za použití výkonných teleskopů.

Galaxie LAP1-B se stala přístupnou díky jevu zvanému gravitační čočka; při něm gravitace hmotného objektu ohýbá a zvětšuje světlo přicházející z větší dálky. V tomto konkrétním případě hmotná kupy galaxií zesílila světlo vzdálené galaxie přibližně stonásobně, což vědcům umožnilo zkoumat objekt, jehož studium by jinak bylo nesmírně obtížné.

V návaznosti na dřívější pozorování tým sledoval galaxii LAP1-B po dobu více než 30 hodin pomocí Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST). Vědci využili spektroskopii – metodu, která na základě analýzy světla umožňuje identifikovat chemické prvky přítomné ve vzdáleném objektu.

Pozorování odhalila, že zastoupení kyslíku činí pouhou 1/240 hodnoty naměřené u Slunce – jde o rekordně nízkou úroveň, která řadí galaxii LAP1-B mezi chemicky nejprimitivnější galaxie, jaké byly kdy popsány.

„Extrémní nedostatek kyslíku, který data odhalila, mě okamžitě nadchl,“ říká docent Nakajima, vedoucí výzkumného týmu. „Nález galaxie v takto primitivním stavu je ohromující. Jde o chemický otisk, který jasně ukazuje na prvotní galaxii zachycenou v okamžicích krátce po jejím vzniku.“

Tento diagram porovnává hmotnosti galaxií a množství kyslíku v galaxii. LAP1-B (červený kruh) má výjimečně nízkou hmotnost a pouze 1/240 množství kyslíku ve Slunci, což je rekordně nízká hodnota pro galaxii, kde se tvoří hvězdy, a odhaluje její chemicky primitivní stav. Hnědé symboly představují vzdálené galaxie, zatímco přerušovaná čára ukazuje trend v blízkých galaxiích.

Výzkumníci také zjistili neobvykle vysoký poměr uhlíku ke kyslíku. Toto rozlišení je důležité, protože relativní množství různých prvků může odhalit, jak galaxie získala své chemické složení. U galaxie LAP1-B zvýšený poměr uhlíku ke kyslíku silně odpovídá teoretickým předpovědím pro materiál rozptýlený do vesmíru explozemi hvězd první generace.

Tato měření společně naznačují, že galaxie LAP1-B byla pozorována ve výjimečně rané fázi chemického obohacování – v době, kdy se v jejím plynu začaly hromadit produkty prvních hvězd.

„Obvykle fungujeme jako ‚kosmičtí archeologové‘ a snažíme se odhadnout minulost zkoumáním starých hvězd v našem vlastním sousedství. Nyní však můžeme analyzovat plyn přímo z původního dějiště před 13 miliardami let,“ zdůrazňuje Nakajima. „Jsme svědky okamžiku, kdy galaxie poprvé získala chemické stavební kameny vytvořené těmi vůbec nejstaršími hvězdami ve vesmíru.“

Možný předchůdce kosmických fosilií
Extrémně malé rozměry této galaxie poskytují další vodítko k jejímu původu. Podle odhadů týmu obsahuje LAP1-B hvězdy o celkové hmotnosti menší než 3 300násobek hmotnosti Slunce a je spojena s halem, v němž převládá temná hmota – neviditelná látka, která podle předpokladů tvoří podstatnou část hmoty v galaxiích.

Tyto vlastnosti připomínají skupinu objektů v našem blízkém okolí, označovaných jako ultra-slabé trpasličí galaxie (ultra-faint dwarf galaxies – UFD). Tyto mimořádně málo svítivé galaxie obsahují prastaré hvězdy a relativně malé množství těžkých prvků, což astronomy vede k domněnce, že uchovávají podmínky z nejranějších období formování galaxií ve vesmíru.

Další diagram porovnává zastoupení kyslíku a poměr uhlíku ke kyslíku. Objekt LAP1-B (červený kroužek) se velmi blíží předpovědím pro hmotu vzniklou v prvních hvězdách vesmíru (fialová oblast) a chemickému složení současných ultra-slabých trpasličích galaxií (modrý obrys). Jeho neobvyklé chemické složení naznačuje obohacení látkami z nejstarších hvězd před 13 miliardami let. Šedé symboly představují staré hvězdy v Mléčné dráze a vzdálená plynná mračna, zatímco oranžová barva značí obohacení látkami z pozdějších generací hvězd.

„Ultra-slabé trpasličí galaxie nejsou jen těmi nejslabšími galaxiemi; jsou tvořeny prastarými hvězdami starými více než 12 miliard let a často se o nich hovoří jako o ‚fosiliích vesmíru‘,“ vysvětluje profesor Masami Ouchi (NAOJ/ University of Tokyo), člen výzkumného týmu. „Astronomové měli podezření, že by mohlo jít o pozůstatky úplně prvních galaxií ve vesmíru, jelikož v nich chybí těžké prvky. Chyběl však přímý důkaz – dokud jsme neobjevili LAP1-B.“

LAP1-B nabízí jedinečnou příležitost prozkoumat, jak před miliardami let vypadal možný předchůdce těchto blízkých galaxií. Nízký obsah kyslíku, neobvyklý poměr uhlíku a kyslíku a struktura, v níž převládá temná hmota, odpovídají představě, že dnešní ultra-slabé trpasličí galaxie vznikly z malých systémů, které se zformovaly velmi brzy v kosmické historii.

Je velkým překvapením zjistit, že LAP1-B vypadá přesně jako onen ‚předek‘, kterého jsme si dosud představovali pouze v teoretických modelech. To nám pomáhá rozluštit záhadu, proč se tyto kosmické fosilie dochovaly ve své současné podobě až do dnešních dnů.

Hledání ještě starších galaxií
Ačkoliv tato zjištění představují přesvědčivou spojnici mezi ranými galaxiemi a blízkými kosmickými fosiliemi, LAP1-B je zatím pouze jedním příkladem. Studium dalších objektů s podobně primitivním chemickým složením by mohlo vědcům pomoci určit, jak běžné tyto rané systémy byly a jak se vyvinuly v galaxie, které pozorujeme dnes.

Tým plánuje i nadále využívat teleskop JWST k hledání galaxií, které jsou po chemické stránce ještě primitivnější; konečným cílem je identifikovat některé z vůbec prvních galaxií, jež kdy vznikly. Tato pozorování by mohla pomoci objasnit, kdy začaly nejstarší hvězdy produkovat těžší prvky a jak se tyto látky šířily mladým vesmírem.

Docent Nakajima uzavírá: „Doufáme, že tento objev představuje historický krok k pochopení toho, jak prvky, z nichž jsou složena i naše vlastní těla, vůbec vznikly a jak se rozšířily napříč vesmírem.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/james-webb-discovers-a-nearly-pristine-galaxy-from-the-dawn-of-the-universe/ a https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/17894/

autor: František Martinek