01.06.25: Stadig flere observasjoner gjort med James Webb-teleskopet tyder på at utviklingen av stjerner, galakser og sorte hull kort etter Big Bang foregikk forbløffende raskt. En ny observasjon viser at det fantes store mengder oksygen og andre tyngre grunnstoffer allerede 300 millioner år etter starten på Big Bang.

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Bilde av den fjerneste galaksen vi kjenner til nå. Vi ser tilbake 13,4 milliarder år, til en tid 300 millioner år etter Big Bang. Hovedbildet er tatt med James Webb Space Telescope, mens det lille bildet er et detaljbilde tatt med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani et al./S. Schouws et al/JWST: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

Universet oppstod i hendelsen vi kaller Big Bang for 13,787 milliarder år siden. Tetthet og temperatur var ekstreme, men avtok raskt mens Universet ekspanderte. Gassen glødet og var ugjennomsiktig de første 380 000 årene, men da temperaturen falt under 2700 K, klarte de frie elektronene å binde seg til atomkjernene slik at lys kunne bevege seg nærmest fritt – gassen «klarnet». Den såkalte bakgrunnsstrålingen, som finnes overalt i Universet, gir oss et bilde av hvordan Universet så ut på dette tidspunktet.

Slik så Universet ut rundt 380 000 år etter Big Bang. Vi ser at den kosmiske bakgrunnsstrålingen observert med WMAP avslører ørsmå temperatur og tetthetsvariasjoner. De røde og oransje flekkene var spirene til dagens galakser og galaksehoper.
Foto: NASA / WMAP Science Team

På dette tidspunktet bestod Universet av kun hydrogen og helium – alle tyngre grunnstoffer er dannet av stjerner på et senere tidspunkt. Temperaturen fortsatte å avta etter at gassen klarnet og lyset som fantes overalt, ble stadig rødere og ikke lenger synlig for våre øyne. Universet gikk dermed inn i den mørke epoken (bare slik det ville vært opplevd med våre menneskelige øyne, men det fantes selvsagt verken mennesker eller noe annet levende).

I ly av dette altomfattende mørket der det ikke fantes verken galakser, stjerner eller noen andre lysende objekter, samlet gassen seg gradvis til tettere klumper som etter hvert dannet de første stjernene og galaksene – lyset ble tent på nytt! Det er blant annet denne fasen forskerne ønsker å finne ut mer om ved hjelp av James Webb-teleskopet, og med dette teleskopet er det den siste tiden blitt gjort en lang rekke fascinerende observasjoner som gir innsikt i Universets tidlige faser.

Oksygen fra kjempestjerner

Nydannede stjerner begynner å omdanne hydrogen til helium gjennom såkalt kjernefusjon – fire hydrogenatomer omdannes til ett heliumatom. Massen til heliumatomet er litt mindre enn massen til de fire hydrogenatomene, og denne differansen omdannes til energi som får stjernen til å lyse. Stjerner produserer enorme energimengder, men inneholder enda mer formidable hydrogenressurser og kan derfor holde det gående i millioner, milliarder og til og med billioner av år avhengig av stjernemassen. Kjernereaksjonene foregår raskest i de mest masserike stjernene, og disse har derfor de korteste og mest hektiske livene, samtidig som de produserer mye mer energi enn stjerner med mindre masse og følgelig lyser mye kraftigere enn lavmasse-stjernene.

Når de indre delene av stjernen er omdannet til helium, trekker kjernen seg sammen, temperaturen stiger, og heliumet omdannes videre til karbon og oksygen ved temperaturer på typisk 100-200 millioner grader.

I de aller første stjernene som ble dannet, kalt populasjon III-stjerner, foregikk dette på en litt annen måte. Disse stjernene ble trolig generelt dannet med langt større masse enn de fleste av nåtidens stjerner. Hydrogenfusjon kan foregå på to ulike måter – gjennom den såkalte PP-kjeden og gjennom den såkalte CNO-syklusen. Den sistnevnte prosessen dominerer kraftig i de masserike stjernene der temperaturen er høy og benytter karbon (C), nitrogen (N) og oksygen (O) som katalysatorer. Uten disse grunnstoffene er ikke CNO-syklusen mulig.

I CNO-syklusen omdannes 4 hydrogenkjerner til en heliumkjerne. Underveis benyttes karbon, nitrogen og oksygen som katalysatorer – men disse kommer ut igjen og blir ikke brukt opp.
Illustrasjon: Wikipedia

Urtidens spesielle stjerner

Men siden de aller første stjernene bare ble dannet med hydrogen og helium og ikke inneholdt tyngre grunnstoffer, måtte utviklingen skje på en litt annen måte: PP-kjeden startet, men klarte ikke å produsere nok energi til å få stjernen i balanse. Dermed trakk stjernen seg mer sammen inntil temperaturen oversteg 100 millioner grader slik at helium kunne omdannes til karbon og oksygen gjennom den såkalte trippel-alfa-prosessen (og via sidereaksjoner også nitrogen). Dermed fikk stjernen endelig de nødvendige stoffene til å sette i gang CNO-syklusen.

Supertunge urstjerner kan forklare superhull i galaksekjerner.

Maleri som viser den første generasjonen med stjerner eksploderte som spesielt voldsomme supernovaer og hypernovaer. Dette kosmiske fyrverkeriet spredde grunnstoffene som gjorde det mulig for mer normale stjerner og planeter å oppstå. James Webb-teleskopet forsøker å gi oss glimt av denne ekstremt interessante fasen.
Illustrasjon: A. Schaller (STScI)

Svært tidlig oksygen

To ulike forskergrupper har påvist oksygen i den fjerneste (og derfor også tidligste) kjente galaksen, JADES-GS-z14-0. Observasjonene ble gjort ved hjelp av Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Allerede før tidspunktet vi observerer denne galaksen, må det altså ha vært stjerner som har rukket å produsere store mengder med oksygen. Den oppsiktsvekkende oppdagelsen tvinger astronomene til å revurdere modellene for hvor fort galakser ble dannet tidlig i Universets utvikling.

Galaksen JADES-GS-z14-0 ble oppdaget i januar og er den fjerneste galaksen som er observert. Lyset vi observerer fra den har brukt 13,5 milliarder år på å nå oss og ble sendt ut mens Universet var under 300 millioner år gammelt, rundt 2 % av sin nåværende alder. Men observasjonene av større mengder oksygen tyder på at galaksen kjemisk sett er langt mer moden enn antatt og forventet.

Ved dannelsen inneholder galakser som regel store mengder unge stjerner som omdanner hydrogen og helium til tyngre grunnstoffer som for eksempel oksygen. Disse grunnstoffene blir spredd ut i galaksen når stjernene dør og kan da bli del av nye generasjoner stjerner. Men forskerne trodde at 300 millioner år var alt for kort tid til at galaksene kunne rekke å bli sterkt anriket på slike tyngre grunnstoffer. Galaksen JADES-GS-z14-0 inneholder rundt 10 ganger mer tyngre grunnstoffer enn forventet.

Galaksen har derfor blitt dannet svært raskt og blitt «moden» i et høyt tempo. Dette er nok et bevis for at galakser ble dannet mye raskere enn forventet – de siste to årene har Webb-teleskopet gitt oss flere andre tegn på at den tidlige utviklingen gikk svært raskt, blant annet fantes det svært store og masserike sorte hull allerede på et veldig tidlig stadium.

Mer om rekord-galaksen

På grunn av Universets ekspansjon er lyset fra GS-z14 strukket med en faktor 14,18 (den såkalte z-faktoren er 14,18). Siden lyset ble sendt ut omtrent 294 millioner år etter Big Bang, har det vært underveis i nesten 13,5 milliarder år.

Innholdet av tyngre grunnstoffer (metallisiteten Z) er fra 5 – 20 % av det vi finner f.eks. i Solen. Dette er svært overraskende allerede 300 millioner år etter Big Bang og viser at galaksene i Universets barndom gjennomgikk en svært rask utvikling. I motsetning til andre galakser som er funnet med z>10, er denne galaksen utstrakt og ikke sterkt konsentrert. Det betyr at lyset kommer fra stjerner fordelt over et stort område, i motsetning til såkalte aktive galaksekjerner der enorme energimengder frigjøres rundt et sentralt, supermassivt sort hull.

Massen til galaksens stjerner er estimert å være 2,5 x 10⁸ – 1,6 x 10⁹ solmasser. Til sammenligning er den samlede massen til Melkeveiens stjerner omtrent 4 x 10¹⁰ solmasser.

Gjennomsnittsalderen til stjernene i galaksen GS-z14 er bare 20 millioner år.

Dette bildet av ALMA-antennene på Chajnantor-platået, 5000 m over havet, ble tatt rett før anlegget ble brukt til forskning. Det er 19 antenner på dette platået. 
Foto: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/W. Garnier (ALMA)

MER INFORMASJON

Pressemelding fra ESO

Astroevents.no: Flere artikler om galakser

astroevents.no: Flere artikler om stjerner