Dodano: 05 październik 2022r.

Znaleziono ślady pierwszych gwiazd we Wszechświecie

Naukowcy przypuszczają, że pierwsze gwiazdy uformowały się, gdy Wszechświat miał zaledwie 100 milionów lat, czyli mniej niż jeden procent jego obecnego wieku. Te pierwsze gwiazdy znane są jako gwiazdy III populacji. Były one tak masywne, że gdy kończyły swoje życie jako supernowe, dosłownie rozpadały się na kawałki, zasiewając przestrzeń międzygwiezdną charakterystyczną mieszanką ciężkich pierwiastków. Jednak pomimo dziesięcioleci poszukiwań prowadzonych przez astronomów, nie udało się znaleźć bezpośrednich dowodów na istnienie tych pierwotnych gwiazd. Aż do teraz.

Znaleziono ślady pierwszych gwiazd we Wszechświecie

 

Teraz naukowcy dokonali niespodziewanego odkrycia, analizując jeden z najdalszych znanych kwazarów. Za pomocą teleskopu Gemini North, jednego z dwóch identycznych teleskopów tworzących Międzynarodowe Obserwatorium Gemini, obsługiwane przez NOIRLab NSF, astronomowie zidentyfikowali pozostałości materiału po wybuchu gwiazdy III populacji.

Wykorzystali przy tym innowacyjną metodę do określenia pierwiastków chemicznych zawartych w obłokach otaczających kwazar. Dzięki temu zauważyli bardzo nietypowy skład obłoku, w którym znajduje się ponad 10 razy więcej żelaza niż magnezu w porównaniu do proporcji tych pierwiastków występujących na naszym Słońcu. Wyniki badań opublikowano w „The Astrophysical Journal” (DOI: 10.3847/1538-4357/ac8163).

Zdaniem badaczy najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tej uderzającej cechy jest to, że materiał pozostawiła po sobie jedna z pierwszych gwiazd we Wszechświecie, która wybuchła jako supernowa. Naukowcy uważają, że takie potężne wybuchy kończą życia gigantycznych gwiazd o masach od 150 do 250 razy większych od Słońca.

Mgławica zamiast czarnej dziury

Zaobserwowany obłok to efekt wybuchu supernowej spowodowany niestabilnością kreacji par (z j. ang.: pair-instability supernova). Ta odmiana supernowej powstaje, gdy zachwiana zostaje równowaga hydrostatyczna w jądrze obiektu. Fotony w centrum gwiazdy spontanicznie zamieniają się w elektrony i pozytony. Ta konwersja zmniejsza ciśnienie wewnątrz gwiazdy, pozwalając grawitacji pokonać je i prowadząc do kolapsu i następującego po nim wybuchu. Podobne supernowe nie zamieniają się w czarne dziury ani gwiazdy neutronowe, ale całkowicie rozrzucają swoją materię i rozsiewają ją w kosmosie, pozostawiając po sobie jedynie mgławice.

Jak dotąd nie udało się zarejestrować supernowej powstałej z powodu niestabilności kreacji par. Naukowcy znają tylko dwa sposoby na znalezienie dowodów na istnienie podobnych obiektów. Pierwszym z nich jest „uchwycenie” takiej supernowej w trakcie jej powstawania, ale jest to bardzo mało prawdopodobne. Drugim sposobem jest zidentyfikowanie ich sygnatury chemicznej z materiału, który wyrzucają w przestrzeń międzygwiezdną.

W swoich badaniach astronomowie przeanalizowali wyniki wcześniejszych obserwacji wykonanych przez teleskop Gemini North za pomocą Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Spektrograf rozdziela światło emitowane przez obserwowane obiekty na składowe długości fali, które niosą informacje o pierwiastkach zawartych w tych obiektach. Wydedukowanie ilości każdego z obecnych tam pierwiastków jest jednak trudnym przedsięwzięciem, ponieważ jasność linii w widmie zależy od wielu czynników.

Nowa metoda naukowców

Dwaj współautorzy analizy, Yuzuru Yoshii i Hiroaki Sameshima z Uniwersytetu Tokijskiego, zajęli się tym problemem, opracowując metodę wykorzystania intensywności fal w widmie kwazara do oszacowania obfitości występujących tam pierwiastków. To właśnie dzięki zastosowaniu tej metody do analizy badacze odkryli rzucający się w oczy niski stosunek obecności magnezu do żelaza.

- Było dla mnie oczywiste, że kandydatem do odkrycia będzie supernowa typu pair-instability gwiazdy III populacji, w której cała gwiazda wybucha nie pozostawiając za sobą żadnej pozostałości - mówi Yoshii. - Byłem zachwycony i nieco zaskoczony, gdy odkryłem, że supernowa typu pair-instability gwiazdy o masie około 300 razy większej od masy Słońca zapewnia stosunek magnezu do żelaza, który zgadza się z niską wartością, jaką uzyskaliśmy dla kwazara - wyjaśnia.

Poszukiwania chemicznych dowodów na istnienie poprzedniej generacji masywnych gwiazd III populacji były prowadzone już wcześniej wśród gwiazd w halo Drogi Mlecznej. Jednak uzyskany obecnie wynik dostarcza najwyraźniejszej sygnatury supernowej typu pair-instabiliy.

Ewolucja materii

Jeśli rzeczywiście jest to dowód na istnienie jednej z pierwszych gwiazd i pozostałości po supernowej, odkrycie to pomoże wypełnić nasz obraz tego, jak materia we Wszechświecie ewoluowała w to, czym jest dzisiaj. Potrzebne są jednak dalsze obserwacje i badania, aby ustalić czy inne obiekty mają podobne cechy.

Być może uda nam się znaleźć takie chemiczne sygnatury bliżej domu. Mimo, że masywne gwiazdy III populacji wymarły dawno temu, chemiczne ślady, które pozostawiły po sobie w wyrzuconym materiale mogą przetrwać znacznie dłużej i utrzymywać się do dziś. Oznacza to, że astronomowie mogą być w stanie znaleźć ślady eksplozji supernowej typu pair-instabiliy, które wciąż odciskają się na obiektach będących w bliższej odległości od naszego układu. - Teraz wiemy czego szukać- mówi współautor pracy Timothy Beers, astronom z Uniwersytetu Notre Dame.

 

Źródło: National Science Foundation, fot. NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine