Skematisk diagram over universets historie, der fremhæver reionisering, som kun forekommer alvorligt efter dannelsen af ​​de første stjerner og galakser. Før stjerner eller galakser dannede sig, var universet fuld af lysblokerende, neutrale atomer. Mens det meste af universet ikke bliver genoptaget før 550 millioner år bagefter, reioniseres nogle få heldige regioner for det meste på tidligere tidspunkter. Billedkredit: SG Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center.

5 Overraskende fakta om de første galakser i universet

Selvom vi aldrig har set dem, er det her, vi allerede ved.

”Pludselig åbnes helt nye programmer op, ting du kan gøre, som du aldrig kunne gøre før. Det ville være videnskabeligt godt, det ville være godt for nationen, for undervisere, for studerende, og det ville være bare godt for offentligheden som helhed. ” -Garth Illingworth

En af de mest bemærkelsesværdige fakta om vores univers er, at det ikke har eksisteret for evigt. De klumper og klynger af stof, vi ser - planeter, stjerner, gasskyer, galakser og mere - voksede ud af mindre bits af stof, som på tyngdepunktet er vokset og fusioneret over tid. Hvis vi ser på objekter i større og større afstande, tager det længere tid for lyset fra dem at nå vores øjne, hvilket betyder, at lyset, der ankom i dag, blev udsendt for millioner eller endda for milliarder af år siden. Når vi ser tilbage i rummet, ser vi også tilbage i tiden. På et tidspunkt når vi en afstand så stor, at der ikke var nogen stjerner eller galakser dengang. Selvom det tager James Webb-rumteleskopet at se de allerførste galakser, er der fem overraskende kendsgerninger, som vi allerede ved, skal være sandt om disse fjerneste objekter af alle.

Protoplanetære diske, som alle solsystemer antages at danne med, samles sammen til planeter over tid, som denne illustration viser. Når universet imidlertid kun består af brint og helium, kan der kun dannes gasformige planeter, ikke stenede. Billedkredit: NAOJ.

1.) Der er ingen stenede planeter til stede blandt de allerførste stjerner og galakser. Hver gang du danner stjerner fra en molekylær gassky, kan du fuldt ud forvente, at gasen fragmenterer i en hel bunke klumper, der vokser i forskellige hastigheder afhængigt af hvor store de er til at begynde med, og hvad der ellers er i deres nærhed. Store gasskyer vil vokse stjerner og planeter i mange forskellige størrelser, men selv de mindste verdener, der først dannes, vil udelukkende være lavet af gas: brint og helium. Uden tidligere generationer af stjerner er der ingen tungere elementer til at danne solide kroppe som klippeplaneter eller måner. Der kan dannes små kugler af gas, men når disse stjerner antændes, bliver de simpelthen brændt ud i interstellar rummet af den ioniserende stråling fra de første kernebrande i universet.

Galakser, der kan sammenlignes med nutidens Mælkevej, er adskillige, men yngre galakser, der er Mælkevejen-lignende, er i sagens natur mindre, blåere og rigere på gas generelt end de galakser, vi ser i dag. For de første galakser af alle, er dette taget til det ekstreme. Billedkredit: NASA og ESA.

2.) De tidligste galakser er små sammenlignet med dem, vi har i dag. Når de første neutrale atomer i universet dannes, er de allerede klumpet sammen, nogensinde så lidt, i overdense og underdette områder af en bestemt størrelse. Indeholder overalt fra et par hundrede tusinde til et par millioner solmasser, vil disse danne frøene fra de første stjerne klynger. I måske 50 til 200 millioner år får gravitation disse første gasskyer til at kollapse og danne de allerførste stjerner. Når stjerneklynger begynder at tynges sammen, sker der hurtig stjernedannelse, og det er på det tidspunkt, vi kan begynde at sige, at vi har dannet universets første galakser. Selvom de muligvis kun er en lille brøkdel af Mælkevejens masse, måske 0,001% så massiv som vi er, er disse faktisk galakser i sig selv, der indeholder stjerner, stjerne klynger, planeter, gas, støv og endda glorier af mørkt stof.

Hubble eXtreme Deep Field, vores dybeste opfattelse af universet til dato, der afslører galakser fra det tidspunkt, hvor universet kun var 3–4% af sin nuværende alder. Dette er dog den absolutte grænse for, hvor langt Hubble kan gå; mere observationstid vil afsløre svagere galakser, men ikke fjernere. Billedkredit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee og P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden Universitet; og HUDF09-teamet.

3.) Selv hvis Hubble skulle se på det fjerne univers for evigt, ville det aldrig se disse første galakser. Lyset, disse galakser udsender, burde svare til det lys, der udsendes af nyligt stjernedannende galakser i dag. Når en galakse først dannes, skal den være fuld af varme, lyse, kortvarige blå stjerner, der dominerer lysstyrken hos alle de andre. Men i modsætning til nærliggende galakser, kræver lyset fra disse tidligste en enorm kosmisk rejse - en, der tager over 13 milliarder år fra vores perspektiv - for at nå vores øjne. I løbet af denne tid udvides universet, hvilket får bølgelængden af ​​dette oprindeligt ultraviolette lys til at forskyde sig gennem det synlige, gennem det nærinfrarøde og ind i midten af ​​den infrarøde del af spektret. Selv hvis Hubble, der kan se lys ret langt ind i det nærinfrarøde, ser himlen for evigt, ville det aldrig være i stand til at opdage galakser ud til en rødskift fra 15 til 25, hvor de første forventes at ligge. Til det har vi brug for James Webb.

Klyngen RMC 136 (R136) i Tarantula-tågen i den store magellanske sky er hjemsted for de mest massive stjerner, der er kendt. R136a1, den største af dem alle, er over 250 gange solens masse. Billedkredit: European Southern Observatory / P. Crowther / CJ Evans.

4.) De mest massive stjerner i universet eksisterede kun på disse tidligste tidspunkter. I dag, hvis vi ser dybt inde i en ultramassiv stjernedannende region, forventer vi at finde de lyseste, mest lysende og mest massive stjerner af alle. Den største i vores lokale gruppe, Tarantula Nebula (ovenfor) i en satellitgalakse af Mælkevejen, indeholder mange hundreder af tusinder af solmasser 'værd af materiale sammen med den mest massive stjerne kendt: R136a1. Ca. 260 gange massen af ​​vores Sol, det er den mest massive stjerne nogensinde opdaget. Men det er også fyldt med elementer, der stiger højt op på det periodiske bord, ligesom vores egen sol, der undertrykker den oprindelige vækst af massive stjerner. Da de var lavet af uberørt brint og helium alene, manglede de allerførste stjerner denne undertrykkelse og var i stand til at vokse til endnu større masser. Hvor store blev de? 500 gange så massiv som Solen? 1.000 gange? 2.000 gange? Med lidt held lærer James Webb os svaret.

Absorptionen af ​​det millimeter-bølgelængde-lys, der udsendes af elektroner, der suser rundt om magtfulde magnetiske felter genereret af galakens supermassive sorte hul, fører til det mørke sted i denne galakas centrum. Skyggen indikerer, at kolde skyer af molekylær gas regner ind på det sorte hul. Sådanne supermassive sorte huller, eller i det mindste frøene af dem, skulle findes i Universets allerførste galakser. Billedkredit: NASA / ESA & Hubble (blå), ALMA (rød).

5.) De første supermassive sorte huller skulle eksistere inde i disse første galakser fra næsten det øjeblik, de blev født. Paradoksalt nok, jo mere massiv en stjerne er, jo kortere vil dens levetid være. De mest massive stjerner af alle lever kun et par millioner år, før de enten går supernova eller direkte falder sammen; i begge tilfælde producerer de massive sorte huller. Disse sorte huller migrerer hurtigt til centrum af galakser, hvor de smelter sammen og hæfter stof og bliver frøene til de supermassive sorte huller, vi ser i dag. Disse tidligste galakser, selv når de først bliver synlige, kan indeholde sorte huller, mange hundrede tusinder eller endda millioner af gange så massiv som vores sol, svarende til den fire millioner solmasse, der er til stede i Mælkevejens centrum. Disse objekter skal være der, og James Webb kan måske bare vise os, hvor massive de virkelig er.

Universets store struktur ændrer sig med tiden, når små ufuldkommenheder vokser til at danne de første stjerner og galakser, og derefter smelter sammen og danner de store, moderne galakser, vi ser i dag. At se på store afstande afslører et yngre univers, svarende til hvordan vores lokale region var i fortiden. Billedkredit: Chris Blake og Sam Moorfield.

Disse ultra-fjerne, ultra-unge og ultra-lille galakser forbliver ikke sådan længe, ​​husk dig. På et eller andet tidspunkt for længe siden var hver nærliggende galakse, vi ser i dag, ikke så forskellig fra disse allerførste, vi opdager, der starter om lidt over et år, når James Webb lancerer og udsætter. De første, der dannes, er gravitationsmæssigt vokset hurtigst, og så efterhånden som de er 13,8 milliarder år gamle, vil de have tiltrukket sig mere og mere stof, og selv vil sandsynligvis være gigantiske spiraler eller elliptiske stoffer i deres egne grupper og klynger, meget som vi er. Men vi har på nuværende tidspunkt ingen måde at vide, hvordan vores egen Mælkevejs fortid var i nogen form for detaljer. Når alt kommer til alt er universets store forbrydelse, at vi kun kan se det i dag, på et bestemt øjeblik i tid. På trods af hele den kosmiske historie om, hvad der skete, når det kommer til hvor vi er nu, er de eneste ting, vi ved, de overlevende.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, ogTreknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.