Kosmiczny Teleskop Hubble'a wykrył światło gwiazdy oddalonej od nas o 12,9 miliarda lat świetlnych. To najdalej położona pojedyncza gwiazda, którą do tej pory udało się zaobserwować. Została nazwana Earendel, co w języku staroangielskim oznacza gwiazdę poranną.
Kosmiczny Teleskop Hubble'a pracuje już 32 lata, ale wciąż pozwala na dokonywanie niesamowitych odkryć. Ostatnie obserwacje poczynione przy pomocy zasłużonego teleskopu zaowocowały odkryciem pojedynczej gwiazdy lub układu podwójnego gwiazd, którego światło zrodziło się zaledwie 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To najodleglejszy obiekt, jaki kiedykolwiek widziano.
Opis odkrycia ukazał się na łamach czasopisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-022-04449-y).
Poprzednia najodleglejsza pojedyncza gwiazda - MACS J1149+2223 Lensed Star 1 - została odkryta w 2018 roku. Znajduje się ona w odległości około 9 miliardów lat świetlnych od Ziemi, czyli istniała już w czasie, gdy Wszechświat miał około 4 miliardów lat, czyli 30 procent swojego obecnego wieku. Ale rekord ten przetrwał zaledwie cztery lata.
Nowo wykryta gwiazda, nazwana Earendel (od staroangielskiego słowa oznaczającego gwiazdę poranną), jest tak daleko, że jej światło potrzebowało 12,9 miliarda lat, zanim dotarło do Ziemi, pokazując nam, jak wtedy wyglądał Wszechświat, który miał wówczas 7 proc. swojego obecnego wieku.
Astronomowie szacują, że Earendel ma masę co najmniej 50 razy większą od naszego Słońca, ale górny zakres masy ustalili na około 500 razy większy od Słońca. Do tego jest miliony razy jaśniejsza od naszej gwiazdy macierzystej i rywalizuje pod tym względem z najmasywniejszymi znanymi nam gwiazdami.
Jej odkrycie jest zdumiewającym osiągnięciem. Obserwacje Earendel oferują wyjątkową możliwość zbadania wczesnego Wszechświata. - Kiedy zaglądamy w kosmos, spoglądamy również w przeszłość, więc te obserwacje o ekstremalnej rozdzielczości pozwalają nam zrozumieć elementy budulcowe niektórych z pierwszych galaktyk – wyjaśnia Victoria Strait z Cosmic Dawn Center w Kopenhadze.
- Kiedy Earendel emitowała swoje światło, które dostrzegł teleskop Hubble'a, Wszechświat miał mniej niż miliard lat. W tym czasie gwiazda ta znajdowała się 4 miliardy lat świetlnych od obłoku, z którego narodziła się później Droga Mleczna, ale przez ten czas Wszechświat rozszerzył się tak bardzo, że obecnie gwiazda byłaby oddalona od nas o oszałamiające 28 miliardów lat świetlnych – dodaje Strait.
Obecnie astronomowie nie są w stanie określić, czy Earendel jest gwiazdą pojedynczą, czy może układem podwójnym gwiazd. Jak zauważają, większość masywnych gwiazd ma co najmniej jedną mniejszą gwiazdę towarzyszącą, co sprawią, że prawdopodobnie jest to układ podwójny, ale to trzeba będzie potwierdzić w dalszych badaniach.
Ale nawet tak jasna i bardzo masywna gwiazda byłaby niemożliwa do zobaczenia z tak dużej odległości bez pomocy naturalnej „lupy powiększającej”. Chodzi o zjawisko znane jako soczewkowanie grawitacyjne. Bez tego szczęśliwego zbiegu okoliczności astronomowie nie byliby w stanie dostrzec tak odległych rejonów kosmosu. Z takich odległości nawet wykrycie całych galaktyk jest wyzwaniem.
- Na początku prawie w to nie wierzyliśmy. Earendel była znacznie dalej niż poprzednia najbardziej odległa gwiazda – przyznaje Brian Welch z Johns Hopkins University w Baltimore, główny autor publikacji opisującej odkrycie. - Normalnie z takich odległości całe galaktyki wyglądają jak małe smugi, a światło milionów gwiazd miesza się ze sobą. Galaktyka, w której znajduje się ta gwiazda, została powiększona i zniekształcona przez soczewkowanie grawitacyjne w długi półksiężyc, który nazwaliśmy Łukiem Wschodzącego Słońca – mówi dalej.
Grawitacja wypacza czasoprzestrzeń. Im gęstszy obiekt, tym silniejsza jest jego siła grawitacyjna, która może działać jak soczewka, powiększając i zniekształcając znajdujące się za nim źródło światła. Zjawisko soczewkowania grawitacyjnego jest bardzo rzadkie i zachodzi, gdy światło z odległego źródła uginane jest przez bliższy obiekt zwany soczewką. Masa soczewki zakrzywia przestrzeń wokół niej, co powoduje ugięcie promieni świetlnych, w efekcie czego można zaobserwować pojaśnienie źródła.
Innymi słowy, do soczewkowania dochodzi wtedy, gdy grawitacja obiektów zagina i wzmacnia światło z odleglejszych gwiazd w chwili, gdy na jednej linii znajdzie się źródło promieniowania, obiekt soczewkujący oraz obserwator na Ziemi. Jeśli soczewką jest gwiazda, to pojaśnienie trwa od kilku do nawet około stu dni, jeśli zaś soczewką jest planeta – od kilku godzin do paru dni.
W tym przypadku w roli soczewki wystąpiła gromada galaktyk WHL0137-08, znajdującą się między nami a gwiazdą Earendel. Masa gromady galaktyk wypacza „tkankę kosmosu”, tworząc potężne naturalne szkło powiększające, które zniekształciło obraz, ale znacznie wzmocniło światło odległych obiektów znajdujących się za nim.
Połączenie tej soczewki grawitacyjnej i dziewięciu godzin czasu ekspozycji z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a umożliwiło międzynarodowemu zespołowi astronomów wykrycie prastarej gwiazdy.
- Earendel istniała tak dawno temu, że mogła nie powstać z tych samych surowców, co gwiazdy wokół nas, które obecnie obserwujemy. Badania tej gwiazdy będą oknem na erę Wszechświata, której nie znamy, ale która doprowadziła do wszystkiego, co widzimy. To tak, jakbyśmy czytali naprawdę interesującą książkę, ale zaczęliśmy od drugiego rozdziału, a teraz będziemy mieli okazję zobaczyć, jak to wszystko się zaczęło – wyjaśnia Welch.
Naukowcy spodziewają się, że soczewka WHL0137-08 będzie powiększać starożytny rejon Wszechświata w nadchodzących latach, co da możliwość zbadania gwiazdy za pomocą wystrzelonego niedawno w przestrzeń kosmiczną Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Wysoka czułość obserwatorium na światło podczerwone jest wymagana, by dowiedzieć się więcej o Earendel, ponieważ jej światło jest rozciągane (przesuwane ku czerwieni) do dłuższych fal podczerwonych z powodu rozszerzania się Wszechświata.
- Dzięki teleskopowi Webba spodziewamy się potwierdzić, że Earendel rzeczywiście jest gwiazdą, a także zmierzyć jej jasność i temperaturę – mówi Dan Coe ze Space Telescope Science Institute. Informacje te pozwolą określić typ gwiazdy i etap jej cyklu życia. - Spodziewamy się również, że w galaktyce, gdzie znajduje się Earendel, brakuje ciężkich pierwiastków, które tworzą się w późniejszych generacjach gwiazd. Sugeruje to, że Earendel jest rzadką, masywną gwiazdą ubogą w metale – dodaje Coe.
Skład nowo odkrytej gwiazdy jest niezwykle interesujący dla astronomów. Dlatego, że powstała zanim Wszechświat został wypełniony ciężkimi pierwiastkami wytwarzanymi przez późniejsze generacje masywnych gwiazd. Jeśli dalsze badania wykażą, że Earendel składa się wyłącznie z pierwotnego wodoru i helu, byłby to pierwszy dowód na istnienie gwiazd III populacji, które, jak się przypuszcza, są pierwszymi gwiazdami narodzonymi po Wielkim Wybuchu.
Ale obserwatorium Jamesa Webba pozwoli na jeszcze odleglejsze spojrzenie w kosmos. - Dzięki Webbowi będziemy mogli zobaczyć gwiazdy jeszcze odleglejsze niż Earendel, co jest niesamowicie ekscytujące. Cofniemy się tak daleko, jak się da. Chciałbym, żeby Webb pobił rekord odległości Earendla – mówi Welch.
Źródło: NASA, ESA, University of Copenhagen, fot. NASA/ESA/Brian Welch (JHU)/Dan Coe (STScI)/Alyssa Pagan (STScI)
