De vroege ontdekking van metalen vormt een uitdaging voor wat we weten over de eerste sterrenstelsels

Astronomen hebben slechts 350 miljoen jaar na de oerknal koolstof ontdekt in een sterrenstelsel, de eerste ontdekking van enig ander element in het universum dan waterstof.

Met behulp van de James Webb Space Telescope (JWST) observeerde een internationaal team van astronomen onder leiding van de Universiteit van Cambridge een heel jong sterrenstelsel in het vroege heelal en ontdekte dat het verbazingwekkende hoeveelheden koolstof bevatte, een van de zaden van het leven zoals we dat kennen. Het. .

In de astronomie worden elementen zwaarder dan waterstof of helium geclassificeerd als metalen. Het zeer vroege heelal bestond vrijwel geheel uit waterstof, het eenvoudigste element, met kleine hoeveelheden helium en sporen van lithium.

Elk ander element waaruit het universum bestaat dat we vandaag de dag waarnemen, werd in een ster gevormd. Wanneer sterren exploderen als supernova's, verspreiden de elementen die ze produceren zich door het gaststelsel, waardoor de zaden worden gezaaid voor de volgende generatie sterren. Met elke nieuwe generatie sterren en ‘sterrenstof’ wordt er meer metaal gevormd, en na miljarden jaren evolueert het universum tot het punt waarop het rotsachtige planeten zoals de aarde en leven zoals wij kan ondersteunen.

Het kunnen traceren van de oorsprong en evolutie van mineralen zal ons helpen begrijpen hoe we zijn geëvolueerd van een universum dat bijna volledig uit slechts twee chemische elementen bestond, naar de verbazingwekkende complexiteit die we vandaag de dag zien.

“De eerste sterren zijn de heilige graal van de chemische evolutie”, zegt hoofdauteur dr. Francesco DiEugenio van het Kavli Institute of Cosmology in Cambridge. ‘Omdat ze alleen uit primitieve elementen bestaan, gedragen ze zich heel anders dan moderne sterren. Door te bestuderen hoe en wanneer de eerste metalen zich in sterren vormden, kunnen we een tijdsbestek bepalen voor de eerste stappen op het pad dat leidde tot de vorming van leven. .” “.

Koolstof is een essentieel element in de evolutie van het universum, omdat het zich kan vormen als stofkorrels die samenklonteren en uiteindelijk de eerste planetesimalen en de eerste planeten vormen. Koolstof is ook de sleutel tot de vorming van leven op aarde.

Co-auteur professor Roberto Maiolino, ook van het Kavli Instituut, zei: “Eerder onderzoek suggereert dat koolstof zich relatief laat in aanzienlijke hoeveelheden begon te vormen – ongeveer een miljard jaar na de oerknal.” “Maar we ontdekten dat koolstof veel eerder werd gevormd en misschien wel het oudste mineraal ooit is.”

Het team gebruikte de James Webb-ruimtetelescoop om een ​​zeer ver sterrenstelsel te observeren – een van de verste sterrenstelsels die tot nu toe zijn waargenomen – slechts 350 miljoen jaar na de oerknal, meer dan 13 miljard jaar geleden. Dit sterrenstelsel is compact en heeft een lage massa, ongeveer 100.000 keer minder massa dan de Melkweg.

“Als we het waarnemen is het slechts het embryo van een sterrenstelsel, maar het zou zich kunnen ontwikkelen tot iets heel groots, zo groot als de Melkweg”, zegt DiEugenio. “Maar voor zo’n jong sterrenstelsel is het behoorlijk massief.”

De onderzoekers gebruikten de nabij-infraroodspectrometer (NIRSpec) van Webb om het licht dat uit het jonge sterrenstelsel komt te analyseren in een spectrum van kleuren. Verschillende elementen laten verschillende chemische vingerafdrukken achter in het spectrum van de Melkweg, waardoor het team hun chemische samenstelling kan bepalen. Analyse van dit spectrum toonde een betrouwbare detectie van koolstof aan, en een voorzichtige detectie van zuurstof en neon, hoewel verdere observaties nodig zullen zijn om de aanwezigheid van deze andere elementen te bevestigen.

‘We waren verrast om koolstof zo vroeg in het heelal te zien, omdat men dacht dat de eerste sterren veel meer zuurstof dan koolstof produceerden’, zegt Maiolino. ‘We dachten dat koolstof later werd verrijkt, door totaal andere processen, maar het feit dat het zo vroeg verscheen vertelt ons dat de eerste sterren waarschijnlijk heel anders werkten.’

Volgens sommige modellen hebben de eerste sterren, toen ze als supernova's explodeerden, mogelijk minder energie vrijgemaakt dan aanvankelijk werd verwacht. In dit geval zou koolstof, dat aanwezig was in de buitenste schil van sterren en minder aantrekkelijk is dan zuurstof, gemakkelijker zijn ontsnapt en zich door het sterrenstelsel hebben verspreid, terwijl een grote hoeveelheid zuurstof terugviel en ineenstortte in een zwart gat.

“Deze waarnemingen vertellen ons dat koolstof snel verrijkt had kunnen worden in het vroege heelal,” zegt DiEugenio. “Omdat koolstof essentieel is voor het leven zoals wij het kennen, is het niet noodzakelijkerwijs waar dat het leven later in het universum moet zijn geëvolueerd. Het leven kan veel eerder zijn ontstaan ​​– hoewel als er elders in het universum leven was geweest, het misschien anders is geëvolueerd .” Totaal anders dan die in het universum. “Het gebeurde hier op aarde.”

De resultaten zijn geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Astronomie en astrofysica Het is gebaseerd op gegevens verkregen door JWST's Galactic Advanced Deep Extraterrestrial Survey (JADES). De krant is offline beschikbaar Op de arXiv Geavanceerde printserver.