Astronomowie wykryli ślady ogromnych pierwotnych gwiazd z początków Wszechświata

Naukowcy dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba, odkryli ślady chemiczne wskazujące, że pierwotne ogromne gwiazdy mogły powstać na początku Wszechświata.

.Od dawna astronomowie zastanawiali się, jak supermasywne czarne dziury mogły powstać w niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu. Te masywne obiekty nie mogły powstać ze zwykłych gwiazd w tak krótkim czasie. Jednak w ramach nowego badania, naukowcy z University of Portsmouth i Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics, wykorzystując Kosmiczny Teleksop Jamesa Webba, odkryli pierwsze przekonujące dowody, które mogą rozwiązać tę kosmiczną zagadkę. Wskazują, że we wczesnym Wszechświecie istniały „pierwotne ogromne gwiazdy” o masie od tysiąca do 10 tysięcy razy większej od masy Słońca. Astronomowie skupili się na analizie śladów chemicznych w galaktyce oznaczonej jako GS 3073 i odkryli znaczącą nierównowagę między azotem a tlenem, której nie mogli wyjaśnić żadnym znanym typem gwiazdy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Do tej pory naukowcy przewidywali, że supermasywne gwiazdy powstały naturalnie w rzadkich, wzburzonych strumieni zimnego gazu we wczesnym Wszechświecie, co mogłoby wyjaśniać, w jaki sposób kwazary (niezwykle jasne czarne dziury) mogły istnieć mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.

„Nasze najnowsze odkrycie pomaga rozwiązać kosmiczną zagadkę dotyczącą istnienia supermasywnych czarnych dziur w początkach Wszechświata. Dzięki GS 3073 zdobyliśmy pierwsze obserwacyjne dowody na to, że pierwotne ogromne gwiazdy również istniały tuż po narodzinach kosmosu. Te giganty najprawdopodobniej świeciły niezwykle jasno przez krótki czas, po czym zapadłyby się, tworząc ogromne czarne dziury, pozostawiając po sobie ślady chemiczne, które możemy wykryć miliardy lat później. Trochę przypominają one dinozaury na Ziemi – były ogromne i żyły dawno temu, istniały zaledwie ćwierć miliona lat, co jest kosmicznym mgnieniem oka” – mówi Daniel Whalen z University of Portsmouth.

Jak opisują astronomowie, kluczowe było zmierzenie stosunku azotu do tlenu w GS 3073, który został zmierzony na 0,46. Co jest znacznie wyższym poziomem niż można było by to wyjaśnić za pomocą jakiegokolwiek znanego typu gwiazdy lub eksplozji z nią związanej.

„Obecność pierwiastków chemicznych działa jak kosmiczny odcisk palca, a wzór w GS3073 nie przypomina niczego, co mogą wytworzyć zwykłe gwiazdy. Jego ekstremalna zawartość azotu pasuje tylko do jednego znanego nam źródła – pierwotnych gwiazd tysiące razy masywniejszych od naszego Słońca. To wskazuje, że pierwsza generacja obejmowała obiekty o naprawdę ogromnej masie, które pomogły ukształtować wczesne galaktyki i mogły dać początek supermasywnym czarnym dziurom” – tłumaczy Devesh Nandal z Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics.

Naukowcy stworzyli model ewolucji gwiazd o masie od tysiąca do 10 tysięcy mas Słońca oraz pierwiastków, które mogłyby wytworzyć. Odkryli konkretny mechanizm, który mógłby powodować powstawanie ogromnych ilości azotu, który polegał na tym, że ogromne pierwotne gwiazdy spalając hel w swoich jądrach, wytwarzałyby węgiel, który przedostawałby się do otaczającej powłoki, w której łączyłby się z obecnym tam wodorem, tworząc azot w cyklu węgiel/azot/tlen (CNO). Następnie prądy konwekcyjne mogłyby rozprowadzić azot po całej gwieździe, a ostatecznie materiał z tych obiektów mógłby zostać wyrzucany w przestrzeń kosmiczną, wzbogacając otaczający gaz. Proces ten trwałby miliony lat podczas fazy spalania helu przez gwiazdę, tworząc nadmiar azotu zaobserwowany w GS 3073.

Modele opracowane przez astronomów przewidywały również, co mogłoby się stać, gdy te ogromne gwiazdy umierały. Nie eksplodowałyby one, lecz zapadałyby się bezpośrednio w ogromne czarne dziury o masie tysięcy mas Słońca. Dodatkowo, jak opisują naukowcy, GS 3073 zawiera w swoim centrum czarną dziurę, która może być potencjalną pozostałością po jednej z tych pierwszych gwiazd.

Badanie wykazało również, że ślad azotu pojawia się tylko w określonym zakresie mas. Gwiazdy mniejsze niż tysiąc lub większe niż 10 tysięcy mas Słońca nie wytwarzają odpowiedniego wzorca chemicznego, co sugeruje istnienie „punktu optymalnego” dla tego typu wzbogacenia tym pierwiastkiem.

.Jak podkreślają badacze, analizy te pomagają lepiej poznać pierwsze kilkaset milionów lat istnienia Wszechświata, kiedy uformowały się pierwsze gwiazdy i zaczęły one przekształcać prostą chemię wczesnego kosmosu w bogatą różnorodność pierwiastków, którą można obserwować dzisiaj.

Oprac. EG