Czy supermasywne gwiazdy mogą wyjaśnić dużą zawartość azotu w odległej galaktyce?
Jedna z najodleglejszych znanych galaktyk może być niezwykle bogata w azot. Naukowcy sugerują, że supermasywne gwiazdy mogą stanowić drogę do zwiększenia ilości azotu w tej wczesnej galaktyce.
Położenie galaktyki GN-z11, której zbliżenie pokazano na powiększonym obrazie. Źródło: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), oraz G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)
Nowe spojrzenie na odległą galaktykę
GN-z11 była niegdyś najodleglejszym znanym obiektem kosmicznym. Ta świecąca galaktyka została odkryta za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w 2015 roku, a teraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zwrócił swój spektrometr na zadanie precyzyjnego określenia odległości galaktyki i wydobywanie jej właściwości.
Nowe widmo GN-z11 pokazuje jasne linie emisyjne kilku atomów, w tym azotu. Silne linie emisyjne w widmie galaktyki mogą oznaczać, że posiada ona aktywne jądro galaktyczne – supermasywną czarną dziurę, która pochłania przegrzany gaz z otoczenia – ale niektórzy badacze podejrzewają, że tak nie jest w przypadku GN-z11. Zamiast tego, silne linie azotu w tej galaktyce mogą oznaczać, że jest ona niezwykle bogata w ten pierwiastek, ale nie jest jasne, skąd mógł pochodzić ten zapas azotu. W niedawno opublikowanym artykule Chris Nagele i Hideyuki Umeda z Uniwersytetu Tokijskiego sugerują, że przyczyną mogą być supermasywne gwiazdy.
Supermasywne gwiazdy w centrum uwagi
Przypuszcza się, że supermasywne gwiazdy mają masy ponad sto razy większe od masy Słońca, najmasywniejsze z nich mogą mieć masę ponad 100 000 mas Słońca. Jeżeli gwiazdy z górnej granicy tego zakresu mas istniały we wczesnym Wszechświecie, mogły dać początek supermasywnym czarnym dziurom i wyjaśnić właściwości galaktyk takich jak GN-z11.
Nagele i Umeda przeprowadzili symulację ewolucji supermasywnych gwiazd o masach 1000, 10 000, 50 000 i 100 000 mas Słońca. Każda z tych olbrzymich gwiazd zaczynała z obfitością metali (pierwiastków cięższych od helu) wynoszącą zaledwie 1/10 masy Słońca, co jest reprezentatywne dla warunków panujących kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Symulacje zespołu połączyły dynamikę płynów, reakcje jądrowe i ogólną teorię względności, aby śledzić ewolucję gwiazd. Bardzo różne masy symulowanych gwiazd skutkowały bardzo różnymi wynikami; gwiazda o masie 100 000 mas Słońca eksplodowała, a gwiazda o masie 50 000 mas Słońca zapadła się przed końcem fazy spalania wodoru, podczas gdy dwie gwiazdy o mniejszej masie wyewoluowały z ciągu głównego bez incydentów.
Kwestia czasu
Długość życia każdej gwiazdy przed eksplozją lub zapadnięciem się determinowała stopień wzbogacenia jej otoczenia w metale, a także określała proporcje różnych gatunków metali względem siebie. Na przykład, dłużej żyjące gwiazdy o niższej masie produkowały zwiększone ilości zarówno azotu, jak i tlenu poprzez swoje potężne wiatry gwiazdowe. Ponieważ GN-z11 nie wykazuje oznak obfitości tlenu, oznacza to, że gwiazdy o masie 1000 i 10 000 mas Słońca są mało prawdopodobnymi źródłami azotu w galaktyce.
Bardziej masywne gwiazdy produkowały jednak zwiększone ilości azotu, a nie tlenu, co prowadzi do wzorca obfitości chemicznej, który jest zgodny z tym, co widzimy dla GN-z11. Nagele i Umeda zauważają, że istnieją pewne niuanse, które będą musiały zostać zbadane w przyszłych symulacjach z dokładniejszą rozdzielczością czasową, ale na chwilę obecną supermasywne gwiazdy pozostają obiecującym kandydatem na źródło azotu w GN-z11. Jeżeli chodzi o pochodzenie samych gwiazd, autorzy wskazali, że jednym ze sposobów powstawania supermasywnych gwiazd może być kolizja masywnych galaktyk – a nowe obserwacje pokazują „mgiełkę” wokół GN-z11, która może być oznaką takiej kolizji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
