Nowe informacje z odległego zakątka Wszechświata mogą prowadzić do lepszego zrozumienia w jaki sposób powstały pierwiastki układu okresowego. Grupa astronomów wykorzystała światło potężnego kwazara do bardzo precyzyjnego zbadania składu młodej galaktyki. Dokonano pomiarów ilości pierwiastków nigdy wcześniej nie wykrytych w tak odległych galaktykach.
„Nigdy nie spodziewałem się, że odkryjemy taką, w której będziemy mogli zmierzyć obecność boru, cyny i ołowiu” – powiedział Jason X. Prochaska z University of California w Santa Cruz, astronom kierujący projektem. „Otwiera to nowe pole do prowadzenia badań„.
Technika działa tylko w przypadku bardzo odległych galaktyk, które znajdują się na linii prostej między Ziemią i kwazarem.
„Kwazar staje się oknem dzięki któremu możemy prowadzić te obserwacje„.
Prochaska i jego współpracownicy. J. Christopher Howk i Arthur M. Wolfe donieśli w 1-majowym numerze Nature, że galaktyki znajdujące się w tym oknie dostarczają wartościowych informacji o nukleosyntezie, procesie w wyniku którego powstają pierwiastki.
Poprzez wyznaczania względnej zawartości pierwiastków w odległych obiektach kosmicznych astronomowie uczą się jak poszczególne procesy astrofizyczne kształtują układ okresowy. W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu powstały jedynie najlżejsze z nich: wodór, hel i lit. Inne musiały powstać wewnątrz gwiazd, gdzie ogromne temperatury pozwalają cząstkom łączyć się w cięższe jądra.
Na różnych etapach swojego życia gwiazdy produkują różne pierwiastki. Kiedy wybuchają w końcu jako supernowe, wybuchy stają się kuźnią tworzącą kolejne. Supernowe wyrzucają je w międzygwiezdną przestrzeń, gdzie mogą ponownie połączyć się dając początek gwiazdom lub planetom. Na dalsza nukleosyntezę wpływają także inne procesy, między innymi oddziaływanie z promieniowaniem kosmicznym.
Większość informacji na temat powstawania pierwiastków pochodziło dotąd z badań gwiazd znajdujących się w naszej Galaktyce. Każdy pierwiastek absorbuje i wyświeca światło o określonej długości fali. Poprzez analizę intensywności tego światła astronomowie mogą wyznaczyć względne stosunki pierwiastków znajdujących się w badanym obiekcie.
Alternatywna technika korzysta z absorpcji światła przez międzygwiezdny gaz. W ten sposób staje się możliwe badanie składu gazu naszej lub innej galaktyki. Astronomowie analizując światło gwiazdy znajdującej się w Drodze Mlecznej, zdobywają informację o składzie gazu znajdującego się pomiędzy nią i Ziemią.
Technika ta może być zastosowana w przypadku innych galaktyk poprzez znalezienie kwazara znajdującego się dokładnie za nią. Kwazary to bardzo jasne obiekty, źródłem świecenia których są prawdopodobnie potężne czarne dziury. Technika ta była stosowana w przypadku najbliższego otoczenia Drogi Mlecznej. Niestety – najwięcej śladów absorpcji znajduje się w ultrafiolecie, a ten zakres jest skutecznie pochłaniany przez ziemska atmosferę. Obserwacje wymagają więc misji kosmicznych.
Jak się okazuje – technikę można znacznie łatwiej zastosować w stosunku do bardzo odległych galaktyk. Spowodowane jest to zjawiskiem Dopplera. Galaktyki oddalają się od nas (zgodnie z odkryciem Hubble’a), a ich światło ulega przesunięciu w kierunku dłuższych fal. Galaktyki znajdujące się około 10 miliardów lat świetlnych od nas mają widma przesunięte tak bardzo, że obszar ultrafioletowy znajduje się w zakresie widzialnym. Badając światło kwazara docierające do Ziemi, astronomowie mogą zdobyć informacje na temat galaktyk niedostępnych innego typu obserwacjom.
Prochaska i współautorzy pracy opisują młoda galaktykę, w której byli w stanie odkryć ślady wielu pierwiastków. Jej światło potrzebowało na dotarcie do nas wielu miliardów lat. W ten sposób astronomowie mogli zerknąć w przeszłość.
Grupa Prochaski rozpoczęła od zidentyfikowania w widmie linii, za powstanie których odpowiedzialny jest wodór. Później rozpoczęto poszukiwania śladów innych pierwiastków. Udało się im ich znaleźć 25. Poprzednie badania dostarczały informacji o zaledwie kilku.
„Wiele z tych dodatkowych pierwiastków dostarcza nam informacji na temat tego jak powstawały gwiazdy i jaki jest wiek galaktyki” – powiedział Prochaska.
Uczeni nieustannie poszukują nowych danych astronomicznych i używają ich do potwierdzania lub obalania modeli dotyczących nukleosyntezy. W badanej galaktyce wzajemne stosunki ilości pierwiastków są podobne jak w naszej. Prochaska określił to mianem komfortowej sytuacji, gdyż „oznacza tu, że nic dziwnego nie dzieje się w miejscu w którym jesteśmy„. Różnice pomiędzy galaktykami również udzielają wskazówek. Dzięki nim możliwe było stwierdzenie, że wiek zbadanej galaktyki wynosi około 1-2 miliardów lat (Droga Mleczna ma około 10 miliardów lat).
Uczeni w podobny sposób badać będą kolejne galaktyki. Początkowe wyniki są bardzo obiecujące. Sugerują one, że analiza będzie mogła być powtórzona dla 100 innych obiektów i że każdy z nich stanie się źródłem informacji o powstawaniu pierwiastków.
Badania przeprowadzono w Keck Observatory na Mauna Kea na Hawajach. Początkowe obserwacje wykonano za pomocą Echellette Spectrograph Imager na teleskopie Keck II, a dalsze – za pomocą High Resolution Echelle Spectrograph (HIRES) na Kecku I.
