Potencjalnie pierwszy ślad najwcześniejszych gwiazd we Wszechświecie

Obserwacja odległego kwazara ujawnia dowody na gwiazdę pierwszej generacji, która zginęła w eksplozji „supernowej”.

Wizja artystyczna masywnej gwiazdy III populacji we wczesnym Wszechświecie. Źródło: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine.

Astronomowie mogli odkryć starożytne chemiczne pozostałości pierwszych gwiazd, które rozświetliły Wszechświat. Wykorzystując nowatorską analizę odległego kwazara obserwowanego przez 8,1-metrowy teleskop Gemini North na Hawajach, naukowcy znaleźli niezwykłą proporcję pierwiastków, które, jak twierdzą, mogły pochodzić jedynie ze szczątków powstałych w wyniku pochłaniającej wszystko eksplozji gwiazdy pierwszej generacji o masie 300 Słońc.

Pierwsze gwiazdy powstały prawdopodobnie, gdy Wszechświat miał zaledwie 100 milionów lat, czyli mniej niż jeden procent obecnego wieku. Te pierwsze gwiazdy – znane jako gwiazdy III populacji – były tak masywne, że kiedy skończyły swoje życie jako supernowe, rozpadały się na kawałki, zasiewając przestrzeń międzygwiezdną charakterystyczną mieszanką ciężkich pierwiastków. Jednak pomimo dziesięcioleci starannych poszukiwań astronomów, do tej pory nie udało się znaleźć bezpośrednich dowodów na istnienie tych pierwotnych gwiazd.

Analizując jeden z najodleglejszych znanych kwazarów, który znajduje się w odległości 13,1 miliarda lat świetlnych i ma przesunięcie ku czerwieni wynoszące 7,54, astronomowie doszli do wniosku, że zidentyfikowali materię pozostałą po wybuchu gwiazdy pierwszej generacji. Używając innowacyjnej metody do określenia pierwiastków chemicznych zawartych w obłokach otaczających kwazar, zauważyli bardzo nietypowy skład – materiał zawierał ponad 10 razy więcej żelaza niż magnezu w porównaniu do proporcji tych pierwiastków występujących w naszym Słońcu.

Naukowcy uważają, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tej uderzającej właściwości jest to, że materiał został pozostawiony przez gwiazdę pierwszej generacji, która wybuchła jako supernowa powstająca w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton. Te niezwykle potężne wersje wybuchów supernowych nigdy nie były obserwowane, ale uważa się, że są one końcem życia olbrzymich gwiazd o masach od 150 do 250 razy większych od Słońca.

Wybuchy tego typu supernowych zdarzają się, gdy fotony w centrum gwiazdy spontanicznie zmieniają się w elektrony i pozytony – dodatnio naładowany odpowiednik elektronu z antymaterii. Ta konwersja zmniejsza ciśnienie promieniowania wewnątrz gwiazdy, pozwalając grawitacji pokonać je i prowadząc do kolapsu, a następnie wybuchu.

W przeciwieństwie do innych supernowych, te dramatyczne wydarzenia nie pozostawiają po sobie pozostałości gwiazdowych takich jak gwiazda neutronowa czy czarna dziura, a zamiast tego wyrzucają całą swoją materię do otoczenia. Są tylko dwa sposoby, aby znaleźć na nie dowody. Pierwszym jest uchwycenie takiej supernowej w trakcie jej powstawania, co jest bardzo mało prawdopodobnym przypadkiem. Drugi sposób to zidentyfikowanie ich sygnatury chemicznej z materii, którą wyrzucają w przestrzeń międzygwiazdową.

Do swoich badań astronomowie wykorzystali wyniki wcześniejszych obserwacji za pomocą spektrografu Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Spektrograf rozdziela światło emitowane przez ciała niebieskie na składowe długości fal, które niosą informacje o tym, jakie pierwiastki zawierają te obiekty.

Wydedukowanie ilości każdego z obecnych tam pierwiastków jest jednak trudnym przedsięwzięciem, ponieważ jasność linii w widmie zależy od wielu innych czynników poza obfitością pierwiastka.

Dwóch współautorów analizy, Yuzuru Yoshii i Hiroaki Sameshima z Uniwersytetu w Tokio, rozwiązało ten problem, opracowując metodę pomiarów intensywności linii magnezu i żelaza pochodzących z tzw.  obszaru formowania szerokich linii emisyjnych (BLR) w widmie kwazara do oszacowania obfitości tych pierwiastków. To właśnie dzięki zastosowaniu tej metody do analizy widma kwazara odkryli oni wyraźnie niski stosunek magnezu do żelaza.

Było dla mnie oczywiste, że kandydatką na supernową będzie supernowa powstająca w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton, gwiazdy populacji III, w której cała gwiazda eksploduje, nie pozostawiając za sobą żadnej pozostałości – powiedział Yoshii. Byłem zachwycony i nieco zaskoczony, gdy odkryłem, że supernowa powstająca w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton gwiazdy o masie około 300 razy większej od Słońca zapewnia stosunek magnezu do żelaza, który zgadza się z niską wartością, jaką uzyskaliśmy dla kwazara.

Wśród gwiazd w halo Drogi Mlecznej przeprowadzono już wcześniej poszukiwania chemicznych dowodów na istnienie poprzedniej generacji gwiazd o dużej masie z populacji III, a w 2014 roku przedstawiono co najmniej jedną wstępną identyfikację. Yoshii i jego współpracownicy uważają, że nowy wynik dostarcza najczystszej sygnatury supernowej powstającej w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton w oparciu o wyjątkowo niski stosunek obfitości magnezu do żelaza przedstawiony w tym kwazarze.

Jeżeli rzeczywiście jest to dowód na istnienie jednej z pierwszych gwiazd oraz pozostałości po supernowej powstającej w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton, odkrycie to pomoże nam uzupełnić obraz tego, w jaki sposób materia we Wszechświecie ewoluowała w to, czym jest dzisiaj, łącznie z nami. Aby dokładniej przetestować tę interpretację, potrzeba o wiele więcej obserwacji, aby sprawdzić, czy inne obiekty mają podobne cechy.

Ale być może uda nam się znaleźć chemiczne ślady bliżej domu. Chociaż gwiazdy III populacji o dużej masie wymarły już dawno temu, chemiczne ślady, które pozostawiają po sobie w wyrzuconym materiale, mogą przetrwać znacznie dłużej i mogą utrzymywać się do dziś. Oznacza to, że astronomowie mogą być w stanie znaleźć ślady eksplozji supernowych powstających w wyniku niestabilności wywołanej kreacją par elektron-pozyton, które odcisnęły się na obiektach w naszym lokalnym Wszechświecie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Czarna dziura wyrzuca gwiezdne szczątki

Ujawniono ogólną strukturę gwiazdy neutronowej

Teleskop Webba wykonał swoje pierwsze zdjęcie egzoplanety