The Knowledge Frontier

Anga na falakiChapisho la awaliUchunguziDakika 4 za kusoma

GALAKSI ISIYO NA KABONI KARIBU KABISA, MIAKA BILIONI 1 BAADA YA MLIPUKO MKUU

Mara tu baada ya Mlipuko Mkuu, maada ya kawaida ilikuwa karibu haidrojeni na heliamu tu. Kila elementi nzito zaidi — kaboni, oksijeni, chuma — ilitengenezwa baadaye, ndani ya nyota, na kutawanywa na milipuko yao.

Hilo lina umuhimu kwa jinsi nyota zinavyozaliwa. Wingu la gesi linaloporomoka hupata joto linapojibana, na lazima liondoe joto hilo ili kugawanyika kuwa nyota. Katika Ulimwengu wa leo, ayoni za kaboni na oksijeni hufanya sehemu kubwa ya kazi ya kupoza, na mawingu hugawanyika kuwa nyota za kila ukubwa, nyingi zikiwa ndogo kuliko Jua. Bila elementi hizo, mawingu ya kwanza yangeweza kupoa tu kupitia molekuli za haidrojeni. Yaligawanyika kuwa vipande vikubwa, na nyota yalizotengeneza kwa kiasi kikubwa zilikuwa kubwa sana.

Ni kiasi gani cha kaboni na oksijeni kinahitajika ili kubadili kwenda uundaji wa nyota “wa kawaida”? Kidogo sana: takriban 1/3,000 ya kiwango kilicho kwenye Jua. Kizingiti hicho kilivukwa haraka kiasi kwamba kila galaksi ya mbali iliyowahi kuonekana ikiangaza hadi sasa, zikiwemo zile zilizoonwa na Darubini ya Anga ya James Webb, tayari iko juu sana yake kufikia wakati inapong’aa vya kutosha kuonekana.

Kusoma wingu katika mwanga wa kwazari

Kuna njia nyingine ya kupata gesi ya awali: kuiacha ifyonze mwanga wa kitu kinachong’aa zaidi kilicho nyuma yake. Sarah Bosman, wa Chuo Kikuu cha Heidelberg, Frederick Davies, wa Taasisi ya Max Planck ya Astronomia, na wenzao 23 wanachunguza kwazari 30 zinazong’aa zaidi zenye mwekundu-hamio (redshift) kati ya 4.5 na 5.5 kwa kutumia GHOST, spektrografu iliyowekwa mwaka 2024 kwenye darubini ya Gemini South nchini Chile, ambayo wanaieleza kama spektrografu ya ubora wa juu yenye unyeti mkubwa zaidi kuwahi kujengwa.

Mwanga wa kwazari J1941−4500 unavuka wingu zito la haidrojeni isiyo na chaji — “kifyonzaji cha Lyman-alfa kilichodhoofishwa” (damped Lyman-alpha absorber), aina ya hifadhi ya gesi inayodhaniwa kukaa ndani ya kiloparseki chache kutoka maeneo ya galaksi yanayounda nyota. Kila elementi ndani ya wingu hufyonza mwanga kwenye urefu-mawimbi wake wenyewe. Baada ya saa 5.8 za mwangaza, timu iliweza kupima silikoni, oksijeni na kaboni; chuma hakikugunduliwa kabisa.

Wingu safi zaidi hadi sasa

Wingu hilo, lililopewa jina UMP-DLA-1, liko kwenye mwekundu-hamio wa 5.14, takriban miaka bilioni 1.1 baada ya Mlipuko Mkuu. Takwimu zake:

  • Kaboni: pungufu mara 11,000 kuliko kwenye Jua ikilinganishwa na haidrojeni (takriban pungufu mara 16,000 kwa kigezo cha karibuni zaidi cha Jua).
  • Oksijeni na silikoni: takriban pungufu mara 5,000 kuliko kwenye Jua.
  • Hilo ni duni zaidi ya mara tatu kwa oksijeni na silikoni, na duni mara nne kwa kaboni, kuliko wingu lolote la aina hiyo lililojulikana awali. Pia ndilo duni zaidi kwa chuma.
  • Jumla ya sehemu ya masi ya elementi nzito kuliko heliamu: sehemu 3.16 kwa milioni.

Waandishi wanaunganisha kaboni na oksijeni kuwa namba moja, “kipambanuzi cha mpito” (transition discriminant), kinachotabiri kama wingu linaweza kupoa vya kutosha:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

Chini ya −3.5, wingu haliwezi kuporomoka kuwa nyota ndogo kuliko takriban masi moja ya Jua. UMP-DLA-1 iko kwenye −3.85. Ni hifadhi ya kwanza ya gesi kuwahi kupatikana chini ya mstari huu — hivyo kiwango chake kidogo cha metali pekee kinahakikisha kwamba nyota zake kwa kiasi kikubwa zilikuwa nzito.

Mfuko uliochelewa wa Ulimwengu wa awali

Hii inamaanisha kwamba uundaji wa nyota katika gesi karibu isiyoguswa, kwa nyota kubwa sana kwa kiasi kikubwa, bado uliwezekana muda mrefu baada ya nyota za kwanza kutokea — na hata baada ya mwisho wa enzi ya kuionishwa upya (reionisation).

Kemia ya wingu pia ni sampuli ya kile ambacho nyota hizo kubwa, zenye metali duni, ziliacha nyuma zilipolipuka: kaboni pungufu kidogo kuliko oksijeni, na oksijeni na silikoni katika uwiano wao wa Jua. Peke yake, mtindo huu hauwezi kusema kama nyota hizo kweli zilikuwa kizazi cha kwanza au kizazi cha pili cha mapema. Lakini unalingana na mawingu yaliyopatikana katika nyakati za baadaye ambayo kazi za awali zilifuatilia hadi supanova 1 hadi 30 tu za nyota za kizazi cha kwanza. Waandishi wanapendekeza kwamba kuwinda alama za nyota za kwanza katika mifuko iliyobaki ya gesi safi, kwenye mwekundu-hamio chini ya 7, kunaweza kuzaa matunda zaidi kuliko kuangalia nyuma zaidi sana, zaidi ya mwekundu-hamio 20.

Nyota chache za zamani sana, duni sana katika galaksi ndogo kibete karibu na Njia ya Maziwa zina alama ileile ya kikemia. Waandishi wanasema “inawezekana kabisa” kwamba ndizo manusura wa mwisho miongoni mwa nyota ndogo zilizozaliwa katika galaksi kama hii.

Bahati, au jambo la kawaida?

Kupata wingu kama hilo miongoni mwa kwazari 30 tu kunashangaza. Isipokuwa uchunguzi ulikuwa na bahati isiyo ya kawaida, waandishi wanaandika, mawingu zaidi kama haya huenda yamejificha katika spektra zilizopo, yakiwa yamezikwa ndani ya ufyonzaji mzito wa haidrojeni wa Ulimwengu wa awali. Darubini kubwa mno za baadaye, kama vile Extremely Large Telescope, zikielekezwa kwa kwazari hafifu ambazo misheni ya Euclid itazigundua, zinapaswa kufanya sensa kamili. Kwa sasa, UMP-DLA-1 ni kitu kimoja tu, kilichopimwa kwa dhana kwamba gesi yake inasonga kama pande moja — dhana ambayo waandishi wanaiunga mkono kwa kukosekana kwa mistari ya ufyonzaji iliyoshibishwa.