Kosmiczny Teleskop Hubble’a NASA ustanowił niezwykły nowy punkt odniesienia: wykrywając światło gwiazdy, która istniała w ciągu pierwszego miliarda lat po narodzinach Wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu – najdalszej pojedynczej gwiazdy, jaką do tej pory widziano.
Znalezisko jest ogromnym krokiem wstecz w stosunku do poprzedniego rekordzisty z pojedynczą gwiazdką; wykryta przez Hubble’a w 2018 roku. Gwiazda ta istniała, gdy Wszechświat miał około 4 miliardów lat, czyli 30 procent swojego obecnego wieku, w czasie, który astronomowie nazywają „przesunięciem ku czerwieni 1,5”. Naukowcy używają słowa „przesunięcie ku czerwieni”, ponieważ w miarę rozszerzania się wszechświata światło z odległych obiektów jest rozciągane lub „przesuwane” do dłuższych, bardziej czerwonych długości fal, gdy dociera do nas.
Nowo wykryta gwiazda jest tak daleko, że jej światło potrzebowało 12,9 miliarda lat, zanim dotarło do Ziemi, wyglądając nam tak, jak wtedy, gdy wszechświat miał tylko 7 procent swojego obecnego wieku, przy przesunięciu ku czerwieni 6,2. Najmniejsze obiekty widziane wcześniej z tak dużej odległości to gromady gwiazd osadzone we wczesnych galaktykach.
„Na początku prawie w to nie wierzyliśmy, była znacznie dalej niż poprzednia najbardziej odległa gwiazda z najwyższym przesunięciem ku czerwieni” – powiedział astronom Brian Welch z Johns Hopkins University w Baltimore, główny autor artykułu opisującego odkrycie, które został opublikowany w czasopiśmie Nature z 30 marca. Odkrycia dokonano na podstawie danych zebranych podczas programu Hubble’a RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey), kierowanego przez współautora Dana Coe z Space Telescope Science Institute (STScI), również w Baltimore.
„Normalnie na tych odległościach całe galaktyki wyglądają jak małe smugi, a światło milionów gwiazd miesza się ze sobą” – powiedział Welch. „Galaktyka, w której znajduje się ta gwiazda, została powiększona i zniekształcona przez soczewkowanie grawitacyjne w długi półksiężyc, który nazwaliśmy Łukiem Wschodu Słońca”.
Po szczegółowym przestudiowaniu galaktyki Welch ustalił, że jedną z cech jest niezwykle powiększona gwiazda, którą nazwał Earendel, co po staroangielskim oznacza „gwiazdę poranna”. Odkrycie daje nadzieję na otwarcie niezbadanej ery bardzo wczesnego powstawania gwiazd.
„Earendel istniał tak dawno temu, że mógł nie mieć tych samych surowców, co gwiazdy wokół nas dzisiaj” – wyjaśnił Welch. Studiowanie Earendla będzie oknem na erę wszechświata, której nie znamy, ale to doprowadziło do wszystkiego, co wiemy. To tak, jakbyśmy czytali naprawdę interesującą książkę, ale zaczęliśmy od drugiego rozdziału, a teraz będziemy mieli okazję zobaczyć, jak to wszystko się zaczęło” – powiedział Welch.
Kiedy gwiazdy się wyrównają
Zespół badawczy szacuje, że Earendel ma masę co najmniej 50 razy większą od Słońca i miliony razy jaśniejszą, rywalizując z najmasywniejszymi znanymi gwiazdami. Ale nawet tak jasna, bardzo masywna gwiazda byłaby niemożliwa do zobaczenia z tak dużej odległości bez pomocy naturalnego powiększenia przez ogromną gromadę galaktyk WHL0137-08, znajdującą się między nami a Earendelem. Masa gromady galaktyk wypacza tkankę kosmosu, tworząc potężne naturalne szkło powiększające, które zniekształca i znacznie wzmacnia światło odległych obiektów znajdujących się za nim.
Dzięki rzadkiemu zrównaniu się z powiększającą się gromadą galaktyk gwiazda Earendel pojawia się bezpośrednio lub bardzo blisko zmarszczki w strukturze kosmosu. Ta zmarszczka, która w optyce określana jest jako „kaustyczna”, zapewnia maksymalne powiększenie i rozjaśnienie. Efekt jest analogiczny do pofałdowanej tafli basenu, która w słoneczny dzień tworzy wzory jasnego światła na dnie basenu. Zmarszczki na powierzchni działają jak soczewki i skupiają światło słoneczne do maksymalnej jasności na dnie basenu.
Ten żrący efekt powoduje, że gwiazda Earendel wyskakuje z ogólnego blasku swojej macierzystej galaktyki. Jego jasność wzrasta tysiąckrotnie lub więcej. W tym momencie astronomowie nie są w stanie określić, czy Earendel jest gwiazdą podwójną, chociaż większość masywnych gwiazd ma co najmniej jedną mniejszą gwiazdę towarzyszącą.
Potwierdzenie z Webb
Astronomowie spodziewają się, że Earendel pozostanie bardzo powiększony w nadchodzących latach. Będzie obserwowany przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wysoka czułość Webba na światło podczerwone jest potrzebna, aby dowiedzieć się więcej o Earendel, ponieważ jego światło jest rozciągnięte (przesunięte ku czerwieni) do dłuższych fal podczerwonych z powodu rozszerzania się wszechświata.
„Dzięki Webb spodziewamy się, że Earendel rzeczywiście jest gwiazdą, a także zmierzymy jej jasność i temperaturę” – powiedział Coe. Te szczegóły zawężą typ i etap cyklu życia gwiazdy. „Spodziewamy się również, że w galaktyce Sunrise Arc brakuje ciężkich pierwiastków, które tworzą się w kolejnych generacjach gwiazd. Sugeruje to, że Earendel jest rzadką, masywną gwiazdą ubogą w metale” – powiedział Coe.
Skład Earendla zainteresuje astronomów, ponieważ powstał zanim wszechświat został wypełniony ciężkimi pierwiastkami wytwarzanymi przez kolejne generacje masywnych gwiazd. Jeśli dalsze badania wykażą, że Earendel składa się wyłącznie z pierwotnego wodoru i helu, byłby to pierwszy dowód na istnienie legendarnych gwiazd populacji III, które, jak się przypuszcza, są pierwszymi gwiazdami urodzonymi po Wielkim Wybuchu. Choć prawdopodobieństwo jest niewielkie, Welch przyznaje, że jest kuszące.
„Dzięki Webbowi możemy zobaczyć gwiazdy jeszcze dalej niż Earendel, co byłoby niesamowicie ekscytujące” – powiedział Welch. – Cofniemy się tak daleko, jak się da. Chciałbym zobaczyć, jak Webb pobił rekord odległości Earendela.
Kosmiczny Teleskop Hubble’a to projekt międzynarodowej współpracy NASA i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej). Centrum lotów kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland zarządza teleskopem. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland prowadzi operacje naukowe Hubble’a. STScI jest obsługiwany dla NASA przez Association of Universities for Research in Astronomy w Waszyngtonie, DC