Το JWST βρίσκει απροσδόκητα νεαρή σκόνη πλούσια σε άνθρακα

Το σύμπαν είναι ένα σκονισμένο μέρος. Τα κοσμικά σωματίδια μπορεί να κυμαίνονται από το μέγεθος ενός μόνο μεγάλου μορίου μέχρι λίγο μεγαλύτερο από έναν κόκκο χερσαίας άμμου και αυτά μπορούν να συσσωρευτούν σε φουσκωμένα σύννεφα πλάτους ετών φωτός. Η γενική επιστημονική αντίληψη ήταν ότι η σκόνη συσσωρεύεται σταδιακά, που παράγεται από αστέρια και σουπερνόβα για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Η σκόνη είναι συνήθως ένα προσάρτημα ώριμων γαλαξιών, ή έτσι νόμιζαν οι αστρονόμοι.

Όμως σε ένα

νέο χαρτί

δημοσιεύτηκε την Τετάρτη στο περιοδικό

Φύση

, οι αστρονόμοι βρήκαν έναν συγκεκριμένο τύπο κοσμικής σκόνης, υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, σε νεαρούς μακρινούς γαλαξίες μόλις 800 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η συσσώρευση συνέβη πολύ νωρίτερα από ό,τι οι τρέχουσες θεωρίες σχηματισμού σκόνης υποδηλώνουν ότι είναι δυνατή. Είναι ένα εύρημα που θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι αστρονόμοι κατανοούν τη δημιουργία των αστεριών και την εξέλιξη των γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν και, τελικά, πώς αυτό το νεαρό σύμπαν αναπτύχθηκε στο σύμπαν που γνωρίζουμε σήμερα.

Για πολύ καιρό, οι αστρονόμοι αντιμετώπιζαν τα κοσμικά πράγματα με τον τρόπο που θα μπορούσαμε να δούμε ένα λαγουδάκι κάτω από έναν καναπέ:

ως ενόχληση

. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να κοιτάξουν πέρα ​​από τα μεγάλα σύννεφα κοσμικής σκόνης, τα οποία αντιμετωπίζονται περισσότερο σαν εμπόδια παρά σαν θέματα μελέτης από μόνα τους. «Ο τρόπος που οι περισσότεροι αστρονόμοι αλληλεπιδρούν με αυτό είναι αυτός [dust] στην πραγματικότητα απορροφά πολύ από το φως που προσπαθούμε να παρατηρήσουμε», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης

Joris Witstok

μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Kavli Institute for Cosmology στο Cambridge, στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Αλλά αυτό έχει αλλάξει τα τελευταία χρόνια, χάρη σε παρατηρητήρια όπως το

διαστημικό τηλεσκόπιο


James Webb

της

NASA

, το οποίο χρησιμοποιεί υπέρυθρο φως για να δει μέσα από τα σύννεφα. Οι επιστήμονες έχουν επίσης φτάσει να εκτιμούν την ίδια τη σκόνη, συνειδητοποιώντας ότι αυτές οι μικροσκοπικές κηλίδες άνθρακα, πυριτίου και άλλης ύλης είναι υπεύθυνες για διαδικασίες μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν, όπως ο σχηματισμός νέων άστρων.

«Για παράδειγμα, στον Γαλαξία μας, έχουμε αυτές τις τοποθεσίες όπου σχηματίζονται νέα αστέρια και είναι πολύ σκονισμένα», λέει ο Witstok. «Υπάρχουν μεγάλα σύννεφα αερίου και σκόνης και η σκόνη βοηθά πραγματικά στο να επιτραπεί στο αέριο να κρυώσει και να συστέλλεται και επομένως να σχηματίσει νέα αστέρια».

[Related: 5,000 tons of

ancient

‘extraterrestrial dust’ fall on

Earth

each year]

Δεν είναι ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν χωρίς σκόνη. Προηγούμενες μελέτες είχαν βρει μεγάλες ποσότητες σκόνης σε γαλαξίες στο πολύ πρώιμο σύμπαν, σύμφωνα με τον Witstok. Οι αστρονόμοι ενδιαφέρονται για αυτή την πρώιμη σκόνη επειδή αντιπροσωπεύει πότε τα αστέρια άρχισαν να παράγουν μερικά από τα πρώτα στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο.

«Τα πρώτα αστέρια που άρχισαν να μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο, που ήταν το μόνο πράγμα που υπήρχε στην αρχή, στα βαρύτερα στοιχεία όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο», λέει ο Witstok.

Μεγάλα αρχέγονα αστέρια μπορεί να έχουν αποβάλει τεράστιες ποσότητες σκόνης, φτιαγμένης από αυτά τα βαρύτερα στοιχεία, προς το τέλος του κύκλου ζωής τους ή κατά τη διάρκεια εκρήξεων σουπερνόβα καθώς πέθαιναν.

Αλλά προηγούμενες μελέτες δεν ήταν σε θέση να ανιχνεύσουν την ανθρακική σκόνη -που σημαίνει ότι είναι πλούσια σε άνθρακα- σε τόσο πρώιμους χρόνους.

“Το πράγμα που είναι πραγματικά μια νέα ανακάλυψη εδώ είναι ότι είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε τον τύπο των κόκκων σκόνης που βλέπουμε”, λέει ο Witstok. «Αυτό που πραγματικά μπορούμε να πούμε είναι ότι υπάρχει κάτι που παράγει, συγκεκριμένα, αυτούς τους κόκκους σκόνης άνθρακα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Και εκεί έγκειται η έκπληξη».

Φασματογραφικές παρατηρήσεις σκόνης πιο κοντά στη Γη, εντός του γαλαξία του Γαλαξία, κατέστησαν δυνατή αυτή την ανακάλυψη. Η φασματοσκοπία διασπά το φως σε ένα φάσμα και αναζητά ενδεικτικά σημάδια απορροφημένου φωτός σε συγκεκριμένα μήκη κύματος που σχετίζονται με διαφορετικά στοιχεία και ενώσεις – κάτι σαν να διαβάζουμε ένα μοναδικό ουράνιο τόξο.

Η ανθρακική σκόνη παράγει ένα φασματοσκοπικό «χτύπημα» σε μήκος κύματος 217,5 νανόμετρων, ένα μήκος κύματος που την τοποθετεί στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος. Τουλάχιστον, αυτό είναι το μήκος κύματος του φωτός καθώς άφησε τον γαλαξία του πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

«Δεδομένου ότι ταξιδεύει για περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ το σύμπαν διαστέλλεται, το φως πραγματικά τεντώνεται με αυτή τη διαστολή», λέει ο Witstok, ένα φαινόμενο γνωστό ως redshift. Το φως που ήταν υπεριώδες τεντώνεται περισσότερο, έτσι ώστε το μήκος κύματος —περίπου 1,5 έως 2 μικρόμετρα— να βρίσκεται τώρα στο υπέρυθρο, το τμήμα του φάσματος JWST έχει ρυθμιστεί με ακρίβεια για τη μέτρηση.

“Ακριβώς γι’ αυτό δεν μπορούσαμε να το κάνουμε αυτό πριν”, λέει ο Witstok. “Επειδή με το JWST, είμαστε τώρα για πρώτη φορά σε θέση να κοιτάξουμε και να κάνουμε αυτές τις πολύ ακριβείς μετρήσεις στο υπέρυθρο.”

[Related: Physicists figured out a recipe to make titanium stardust on Earth]

Τώρα που οι ερευνητές έχουν μετρήσει αυτή την ανθρακούχα σκόνη σε παλαιότερο χρόνο στο σύμπαν από ό,τι αναμενόταν, μένουν να προσπαθούν να καταλάβουν ποια διαδικασία θα μπορούσε να την παράγει. Υπάρχουν δύο θεωρίες, λέει ο Witstok, αν και καμία δεν είναι τέλεια.

Το πρώτο είναι ότι οι σουπερνόβα στους πρώιμους γαλαξίες δημιουργούν τη σκόνη, με τα αστέρια που πεθαίνουν να διώχνουν το υλικό πριν από την τελευταία πύρινη θανατηφόρα ρίγη τους. Αλλά το πρόβλημα εκεί, λέει, είναι ότι οι βίαιες δυνάμεις που εξαπολύουν οι σουπερνόβα μπορεί επίσης να καταστρέψουν μεγάλο μέρος αυτής της σκόνης.

Μια άλλη πηγή σκόνης θα μπορούσε να είναι

Αστέρια Wolf-Rayet

, τεράστια, θερμά και γρήγορα φλεγόμενα αστέρια που μπορούν να διώξουν ένα μεγάλο μέρος της μάζας τους στο διάστημα σε λιγότερο από ένα εκατομμύριο χρόνια. «Αλλά και πάλι, είναι το ερώτημα πόσο μπορούν πραγματικά να παράγουν;» λέει ο Witstok. «Αρκεί να εξηγήσουμε τι βλέπουμε στο πρώιμο σύμπαν;»

Ο Witstok και οι συνεργάτες του ελπίζουν να απαντήσουν σε αυτές τις ερωτήσεις με προσομοιώσεις υπολογιστή. Οι θεωρητικοί μπορούν να προσπαθήσουν να τροποποιήσουν μοντέλα σουπερνόβα και αστεριών Wolf-Rayet για να προσπαθήσουν να βρουν τις συνθήκες που παράγουν την ανθρακική σκόνη που φαίνεται στις παρατηρήσεις του JWST.

Και περαιτέρω παρατηρήσεις των πρώιμων γαλαξιών μπορεί επίσης να έχουν απαντήσεις, λέει. «Θα μπορούσαμε να αρχίσουμε να εξετάζουμε τι μπορεί να είναι υπαινιγμοί για έναν ασυνήθιστο αριθμό αστεριών Wolf-Rayet εντός αυτών των γαλαξιών, για παράδειγμα».

Οτιδήποτε οδηγεί τη δημιουργία ανθρακούχου σκόνης στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να περιέχει ενδείξεις για την κατανόηση του πώς εξελίχθηκαν οι γαλαξίες στο πιο πρόσφατο σύμπαν και πώς σχηματίζονται και τα αστέρια και οι πλανήτες. «Η σκόνη είναι αυτό το πραγματικά βασικό συστατικό του τρόπου με τον οποίο εξελίσσονται οι γαλαξίες», λέει ο Witstok. «Το ότι τώρα αρχίζουμε να βλέπουμε όλο και περισσότερα στοιχεία ότι σχηματίζεται πολύ νωρίς μας λέει ότι ίσως αυτή η εξέλιξη λαμβάνει χώρα πιο γρήγορα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτό στη συνέχεια έχει ένα αρνητικό αποτέλεσμα, στη γραμμή, ως προς το πώς φτάνουμε στο παρόν».