Wykorzystując należący do ESO Bardzo Duży Teleskop (VLT), naukowcy po raz pierwszy odkryli odciski palców pozostawione przez eksplozję pierwszych gwiazd we Wszechświecie. Wykryli trzy odległe obłoki gazu, których skład chemiczny odpowiada temu, czego oczekujemy od pierwszych gwiezdnych eksplozji. Odkrycia te przybliżają nas o krok do zrozumienia natury pierwszych gwiazd, które powstały po Wielkim Wybuchu.
„Po raz pierwszy byliśmy w stanie zidentyfikować chemiczne ślady eksplozji pierwszych gwiazd w bardzo odległych obłokach gazu” mówi Andrea Saccardi, doktorantka w Observatoire de Paris – PSL, która kierowała tymi badaniami podczas pracę magisterską na Uniwersytecie we Florencji.
Naukowcy uważają, że pierwsze gwiazdy, które powstały we Wszechświecie, bardzo różniły się od tych, które widzimy dzisiaj. Kiedy pojawiły się 13,5 miliarda lat temu, zawierały tylko wodór i hel, najprostsze pierwiastki chemiczne w przyrodzie. Gwiazdy te, uważane za dziesiątki lub setki razy masywniejsze od naszego Słońca, szybko ginęły w potężnych eksplozjach zwanych supernowymi, po raz pierwszy wzbogacając otaczający gaz cięższymi pierwiastkami. Późniejsze generacje gwiazd narodziły się z tego wzbogaconego gazu i z kolei wyrzucały cięższe pierwiastki, gdy one również umierały. Ale pierwszych gwiazd już dawno nie ma, więc jak naukowcy mogą dowiedzieć się o nich więcej? „Pierwotne gwiazdy można badać pośrednio, wykrywając pierwiastki chemiczne, które rozproszyły w swoim środowisku po śmierci” – mówi Stefania Salvadori, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie we Florencji i współautorka badań opublikowanych dzisiaj w Astrophysical Journal.
Korzystając z danych zebranych za pomocą należącego do ESO teleskopu VLT w Chile, zespół znalazł trzy bardzo odległe obłoki gazu, widoczne, gdy Wszechświat miał zaledwie 10-15% swojego obecnego wieku, z chemicznym odciskiem palca pasującym do tego, czego oczekujemy od eksplozji pierwszych gwiazd. W zależności od masy tych wczesnych gwiazd i energii ich eksplozji, te pierwsze supernowe uwolniły różne pierwiastki chemiczne, takie jak węgiel, tlen i magnez, które są obecne w zewnętrznych warstwach gwiazd. Ale niektóre z tych eksplozji nie były wystarczająco energetyczne, aby wyrzucić cięższe pierwiastki, takie jak żelazo, które znajduje się tylko w jądrach gwiazd. Aby znaleźć charakterystyczny znak tych pierwszych gwiazd, które eksplodowały jako niskoenergetyczne supernowe, zespół poszukiwał odległych obłoków gazu ubogich w żelazo, ale bogatych w inne pierwiastki. I właśnie to znaleźli: trzy odległe obłoki we wczesnym Wszechświecie z bardzo małą ilością żelaza, ale dużą ilością węgla i innych pierwiastków – odcisk palca eksplozji pierwszych gwiazd.
Ten szczególny skład chemiczny zaobserwowano również w wielu starych gwiazdach w naszej własnej galaktyce, które badacze uważają za gwiazdy drugiej generacji, które powstały bezpośrednio z „popiołów” pierwszych. To nowe badanie odkryło takie prochy we wczesnym Wszechświecie, dodając w ten sposób brakujący element do tej układanki. „Nasze odkrycie otwiera nowe możliwości pośredniego badania natury pierwszych gwiazd, w pełni uzupełniając badania gwiazd w naszej galaktyce” – wyjaśnia Salvadori.
Aby wykryć i zbadać te odległe obłoki gazu, zespół wykorzystał latarnie świetlne znane jako kwazary – bardzo jasne źródła zasilane przez supermasywne czarne dziury w centrach odległych galaktyk. Gdy światło z kwazara podróżuje przez Wszechświat, przechodzi przez obłoki gazu, w których różne pierwiastki chemiczne pozostawiają ślad na świetle.
Aby znaleźć te odciski chemiczne, zespół przeanalizował dane dotyczące kilku kwazarów zaobserwowanych za pomocą instrumentu X-shooter na należącym do ESO teleskopie VLT. X-shooter rozszczepia światło na niezwykle szeroki zakres długości fal lub kolorów, co czyni go wyjątkowym instrumentem do identyfikacji wielu różnych pierwiastków chemicznych w tych odległych chmurach.
Badania te otwierają nowe okna dla teleskopów i instrumentów nowej generacji, takich jak nadchodzący Ekstremalnie Wielki Teleskop ESO (ELT) oraz wysokiej rozdzielczości ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES). „Dzięki ANDES w ELT będziemy mogli bardziej szczegółowo zbadać wiele z tych rzadkich obłoków gazu i wreszcie odkryć tajemniczą naturę pierwszych gwiazd” podsumowuje Valentina D’Odorico, naukowiec z National Institute of Astrophysics we Włoszech i współautor badania.