Webb ser gass på vei ut av tidlige galakser. Hubble undersøker stjernene bak modellene

Hvordan kunne galakser bli kjemisk sammensatte så tidlig? Svaret handler både om gassen som beveger seg gjennom galaksene, og om stjernene som påvirker den. James Webb-romteleskopet (JWST) har observert gass med tunge grunnstoffer i tre unge galakser og tegn til at anriket gass strømmer utover. Hubbles TEMPOS-undersøkelse studerer på sin side nærliggende, metallfattige stjerner for å teste fysikken som brukes i modeller av slike galakser. Det er to brikker i samme puslespill – ikke to målinger av de samme objektene. 110

Gassen var allerede anriket

Vi ser de tre galaksene slik de var omtrent 520–650 millioner år etter big bang. Gassen deres inneholder blant annet karbon, oksygen og silisium. Astronomer kaller alle grunnstoffer tyngre enn hydrogen og helium for metaller. At de finnes her, betyr at tidligere stjerner allerede hadde produsert og spredt slikt materiale.

Tegn på at anriket gass beveger seg utover, tyder på at en tidlig form for baryonsyklus var i ferd med å oppstå: Gass kan strømme inn i en galakse, bli råstoff for nye stjerner, mens noe materiale strømmer ut igjen. Observasjonene viser derimot ikke at gassen senere vendte tilbake.

Funnene har også betydning for jakten på populasjon III-stjerner, betegnelsen på den første generasjonen stjerner, som ble dannet uten tunge grunnstoffer. Gass som allerede inneholder slike grunnstoffer, er ikke opprinnelig, urørt gass. Mulige kjemiske spor etter de første stjernene er dessuten noe annet enn å oppdage stjernene direkte. Det blir derfor vanskeligere å vente å finne observerbare metallfrie stjernepopulasjoner i gassen disse observasjonene undersøker – ikke nødvendigvis overalt.

Hubble tester hvor sterke stjernevindene er

TEMPOS har samlet ultrafiolette spektre av 29 massive stjerner av O-typen i seks nærliggende, metallfattige dverggalakser. De første resultatene peker mot svakere stjernevinder enn ventet i miljøene med lavest metallinnhold. Det kan være en særlig bratt nedgang under omtrent en tidel av solens metallinnhold, sammenlignet med det en jevn videreføring av tidligere sammenhenger skulle tilsi. Både denne grensen og hvor stor nedgangen er, må undersøkes videre. 161013

En stjernevind er materiale som strømmer fra én stjerne. Det er ikke det samme som gasstrømmen ut fra en hel galakse som Webb undersøker. Men stjernevindene påvirker hvor mye materiale massive stjerner mister og hvordan de virker tilbake på omgivelsene. Hvis vindene er svakere enn antatt, kan modeller gi andre anslag for utviklingen til unge galakser. TEMPOS tester dette med nærliggende stjerner; undersøkelsen måler ikke stjernene i Webbs fjerne galakser og viser ikke hva som satte gassen der i bevegelse. 13

Hvorfor oksygen ikke forteller hele historien

Strålingsdrevne stjernevinder avhenger av metallioner i stjernens atmosfære. TEMPOS finner variasjon i jernabsorpsjon. Det gjør det mer usikkert å bruke oksygeninnholdet i en galakses gass som en enkel erstatning for sammensetningen som er relevant for stjernene og vindene deres. Tidligere undersøkelser av svært metallfattige galakser har også vist at jernmålinger i stjerner og oksygenmålinger i gass ikke alltid gir det samme bildet av forholdet mellom grunnstoffene. 346

For astronomer er lærdommen å teste usikre antakelser om stjernevinder ved lavt metallinnhold og om forholdet mellom ulike grunnstoffer – samtidig som modellene følger gass som strømmer inn og ut og blir kjemisk anriket. Observasjonene snevrer inn mulige forklaringer på de komplekse unge galaksene Webb ser. De gir foreløpig ikke én påvist forklaring. 1410