Astronomowie mogli odkryć starożytne szczątki chemiczne pierwszych gwiazd, które rozświetliły Wszechświat. Korzystając z innowacyjnej analizy odległego kwazara obserwowanego przez 8,1-metrowy teleskop Gemini North na Hawajach, obsługiwany przez NOIRLab NSF, naukowcy odkryli niezwykły stosunek pierwiastków, które, jak twierdzą, mogły pochodzić tylko z szczątków wyprodukowanych przez wszystkie pożerająca eksplozja 300-masowej gwiazdy pierwszej generacji.
Pierwsze gwiazdy prawdopodobnie powstały, gdy Wszechświat miał zaledwie 100 milionów lat, mniej niż jeden procent jego obecnego wieku. Te pierwsze gwiazdy – znane jako Populacja III – były tak tytanicznie masywne, że gdy zakończyły swoje życie jako supernowe, rozerwały się, zasiewając przestrzeń międzygwiezdną charakterystyczną mieszanką ciężkich pierwiastków. Jednak pomimo dziesięcioleci starannych poszukiwań przez astronomów, do tej pory nie było bezpośrednich dowodów na istnienie tych pierwotnych gwiazd.
Analizując jeden z najbardziej odległych znanych kwazarów [1] używając teleskopu Gemini North, jednego z dwóch identycznych teleskopów, które tworzą Międzynarodowe Obserwatorium Gemini, obsługiwane przez NOIRLab NSF, astronomowie sądzą, że zidentyfikowali pozostałości po eksplozji gwiazdy pierwszej generacji. Stosując innowacyjną metodę wydedukowania pierwiastków chemicznych zawartych w obłokach otaczających kwazar, zauważyli bardzo nietypowy skład – materiał zawierał ponad 10 razy więcej żelaza niż magnezu w porównaniu ze stosunkiem tych pierwiastków w naszym Słońcu.
Naukowcy uważają, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tej uderzającej cechy jest to, że materia została pozostawiona przez gwiazdę pierwszej generacji, która eksplodowała jako supernowa o niestabilności par. Te niezwykle potężne wersje wybuchów supernowych nigdy nie były świadkami, ale teoretycznie są one końcem życia dla gigantycznych gwiazd o masach od 150 do 250 mas Słońca.
Eksplozje supernowych niestabilnych parami mają miejsce, gdy fotony w centrum gwiazdy spontanicznie zamieniają się w elektrony i pozytony – dodatnio naładowany odpowiednik antymaterii elektronu. Ta konwersja zmniejsza ciśnienie promieniowania wewnątrz gwiazdy, umożliwiając przezwyciężenie go przez grawitację i prowadząc do zapadnięcia się i późniejszej eksplozji.
W przeciwieństwie do innych supernowych, te dramatyczne wydarzenia nie pozostawiają żadnych gwiezdnych pozostałości, takich jak gwiazda neutronowa czy czarna dziura, a zamiast tego wyrzucają całą materię do otoczenia. Są tylko dwa sposoby na znalezienie dowodów na ich istnienie. Pierwszym z nich jest uchwycenie supernowej o niestabilności par, gdy to się dzieje, co jest bardzo mało prawdopodobnym przypadkiem. Innym sposobem jest zidentyfikowanie ich sygnatury chemicznej na podstawie materiału, który wyrzucają w przestrzeń międzygwiazdową.
W ramach swoich badań astronomowie przeanalizowali wyniki wcześniejszych obserwacji wykonanych przez 8,1-metrowy teleskop Gemini North przy użyciu spektrografu bliskiej podczerwieni Gemini (GNIRS). Spektrograf dzieli światło emitowane przez ciała niebieskie na składowe długości fal, które niosą informacje o tym, jakie pierwiastki zawierają obiekty. Gemini jest jednym z nielicznych teleskopów tej wielkości z odpowiednim wyposażeniem do prowadzenia takich obserwacji.
Jednak wydedukowanie ilości każdego obecnego pierwiastka jest trudnym przedsięwzięciem, ponieważ jasność linii w widmie zależy od wielu innych czynników oprócz obfitości pierwiastka.
Dwóch współautorów analizy, Yuzuru Yoshii i Hiroaki Sameshima z Uniwersytetu w Tokio, rozwiązało ten problem, opracowując metodę wykorzystania intensywności długości fal w widmie kwazara do oszacowania obfitości występujących tam pierwiastków. Dzięki tej metodzie do analizy widma kwazara, oni i ich koledzy odkryli wyraźnie niski stosunek magnezu do żelaza.
„Było dla mnie oczywiste, że kandydatką na supernową byłaby supernowa niestabilna parami gwiazdy z populacji III, w której cała gwiazda eksploduje nie pozostawiając po sobie żadnych pozostałości” – powiedział Yoshii. „Byłem zachwycony i nieco zaskoczony, gdy odkryłem, że supernowa niestabilna parami gwiazd o masie około 300 razy większej od masy 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 r. przedstawiono co najmniej jedną wstępną identyfikację. Yoshii i jego koledzy uważają jednak, że Nowy wynik dostarcza najbardziej wyraźnej sygnatury supernowej niestabilnej w parach, w oparciu o wyjątkowo niski stosunek obfitości magnezu do żelaza prezentowany w tym kwazarze.
Jeśli rzeczywiście jest to dowód na istnienie jednej z pierwszych gwiazd i pozostałości po supernowej niestabilnej w parach, odkrycie to pomoże nam uzupełnić obraz tego, jak materia we Wszechświecie ewoluowała w to, czym jest dzisiaj, włączając nas. Aby dokładniej przetestować tę interpretację, potrzeba o wiele więcej obserwacji, aby sprawdzić, czy inne obiekty mają podobne cechy.
Ale możemy też znaleźć sygnatury chemiczne bliżej domu. Chociaż wszystkie gwiazdy z populacji III o dużej masie wyginęły dawno temu, chemiczne odciski palców, które pozostawiają w wyrzuconym materiale, mogą trwać znacznie dłużej i mogą pozostać do dziś. Oznacza to, że astronomowie mogą być w stanie znaleźć sygnatury wybuchów supernowych niestabilnych parami dawno nieistniejących gwiazd, które wciąż są odciśnięte na obiektach naszego lokalnego Wszechświata.
„Teraz wiemy, czego szukać; mamy ścieżkę” – powiedział współautor Timothy Beers, astronom z University of Notre Dame. „Gdyby stało się to lokalnie we wczesnym Wszechświecie, co powinno było nastąpić, spodziewalibyśmy się, że znajdziemy na to dowody”.
Uwagi
[1] Światło z tego kwazara podróżuje od 13,1 miliarda lat, co oznacza, że astronomowie obserwują ten obiekt tak, jak wyglądał, gdy Wszechświat miał zaledwie 700 milionów lat. Odpowiada to przesunięciu ku czerwieni 7,54.