Niet lang na de oerknal, de eerste generaties sterren begonnen de chemische samenstelling van primitieve sterrenstelsels te veranderen, het interstellaire medium langzaam verrijken met basiselementen zoals zuurstof, koolstof, en stikstof. Het vinden van de vroegste sporen van deze gemeenschappelijke elementen zou een belangrijk licht werpen op de chemische evolutie van sterrenstelsels, inclusief die van ons.

Nieuwe waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) onthullen de zwakke, veelbetekenende handtekening van zuurstof afkomstig van een sterrenstelsel op een recordafstand van 13,28 miljard lichtjaar van de aarde, wat betekent dat we dit object observeren zoals het eruitzag toen het universum slechts 500 miljoen jaar oud was, of minder dan 4 procent van zijn huidige leeftijd.

Voor zo'n jong sterrenstelsel, bekend als MACS1149-JD1, detecteerbare sporen van zuurstof bevatten, het moet zelfs eerder begonnen zijn met het smeden van sterren:zo'n 250 miljoen jaar na de oerknal. Dit is uitzonderlijk vroeg in de geschiedenis van het universum en suggereert dat rijke chemische omgevingen zich snel ontwikkelden.

"Ik was opgewonden toen ik het signaal van de verste zuurstof zag, " legt Takuya Hashimoto uit, de hoofdauteur van het onderzoeksartikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur en een onderzoeker aan de Osaka Sangyo University en het National Astronomical Observatory of Japan.

"Deze extreem verre, extreem jong sterrenstelsel heeft een opmerkelijke chemische rijpheid, " zei Wei Zheng, een astronoom aan de Johns Hopkins University in Baltimore, die de ontdekking van dit sterrenstelsel leidde met de Hubble-ruimtetelescoop en de afstand ervan schatte. Hij is ook lid van het ALMA-onderzoeksteam. "Het is echt opmerkelijk dat ALMA een emissielijn - de vingerafdruk van een bepaald element - op zo'n recordafstand heeft gedetecteerd."

Na de oerknal, de chemische samenstelling van het universum was sterk beperkt, met zelfs geen spoor van elementen zoals zuurstof. Het zou verschillende generaties van stergeboorte en supernova's vergen om de jonge kosmos te zaaien met waarneembare hoeveelheden zuurstof, koolstof, en andere elementen gesmeed in de harten van sterren.

Nadat ze door supernova's uit hun stellaire ovens waren bevrijd, deze zuurstofatomen vonden hun weg naar de interstellaire ruimte. Daar raakten ze oververhit en werden ze geïoniseerd door het licht en de straling van massieve sterren. Deze hete, geïoniseerde atomen "gloeiden" vervolgens helder in infrarood licht. Terwijl dit licht de enorme kosmische afstanden naar de aarde aflegde, het werd uitgerekt door de uitdijing van het heelal, uiteindelijk veranderen in het duidelijke millimetergolflengtelicht dat ALMA speciaal is ontworpen om te detecteren en te bestuderen.

Door de precieze verandering in de golflengte van dit licht te meten - van infrarood tot millimeter - stelde het team vast dat dit veelbetekenende signaal van zuurstof 13,28 miljard lichtjaar aflegde om ons te bereiken. waardoor het de meest verre handtekening van zuurstof is die ooit door een telescoop is gedetecteerd. Deze afstandsschatting werd verder bevestigd door waarnemingen van neutraal waterstof in de melkweg door de Very Large Telescope van de European Southern Observatory. Deze waarnemingen bevestigen onafhankelijk dat MACS1149-JD1 het verst verwijderde sterrenstelsel is met een nauwkeurige afstandsmeting.

Het team reconstrueerde vervolgens de geschiedenis van de stervorming in de melkweg met behulp van infraroodgegevens die zijn gemaakt met de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop en NASA's Spitzer-ruimtetelescoop. De waargenomen helderheid van het sterrenstelsel wordt goed verklaard door een model waarbij het begin van de stervorming nog eens 250 miljoen jaar geleden was. Het model geeft aan dat de stervorming inactief werd nadat de eerste sterren ontstoken waren. Het werd vervolgens nieuw leven ingeblazen in het tijdperk van de ALMA-waarnemingen:500 miljoen jaar na de oerknal.

De astronomen suggereren dat de eerste uitbarsting van stervorming het gas wegblies van de melkweg, die de stervorming voor een tijd zou onderdrukken. Het gas viel vervolgens terug in de melkweg, wat leidde tot de tweede uitbarsting van stervorming. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, " zei Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. in 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Nutsvoorzieningen, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., om in het journaal te verschijnen Natuur .