Astronomowie znaleźli pierwsze bezpośrednie ślady istnienia potężnych, pierwotnych gwiazd o masach od tysiąca do nawet 10 tysięcy Słońc. To właśnie takie monstrualne obiekty mogły szybko rodzić zalążki supermasywnych czarnych dziur, z których później powstały najwcześniejsze kwazary. Odkrycie, oparte na danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba oraz wcześniejszych symulacjach numerycznych, pozwala odpowiedzieć na pytanie, jak tak masywne czarne dziury zdążyły uformować się w mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Chemiczny podpis pierwotnych olbrzymów
Klucz do przełomu kryje się w widmie odległej galaktyki GS 3073, obserwowanej przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu w Portsmouth oraz Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian (CfA) zmierzył w niej niezwykle wysoki stosunek azotu do tlenu – około 0,46, a zatem zdecydowanie większy niż w przypadku jakichkolwiek znanych populacji gwiazd czy typów supernowych.
Skład chemiczny gazu w galaktykach działa jak kosmiczny odcisk palca. W GS 3073 odcisk ten okazał się tak nietypowy, że nie dało się go wytłumaczyć ewolucją zwyczajnych gwiazd. Modele wskazują, że tak znaczący nadmiar azotu następuje tylko wtedy, gdy wkład w chemiczne wzbogacenie ośrodka międzygwiazdowego mają gwiazdy o masach rzędu 1000–10 000 mas Słońca.
Scenariusz zaproponowany przez badaczy wygląda następująco: w jądrze pierwszej z takich gwiazd zachodzi spalanie helu, w wyniku którego powstaje węgiel. Część tego węgla „przecieka” do warstw, w których pali się wodór. Tam uruchamia się cykl CNO – reakcje jądrowe, w których węgiel, azot i tlen pełnią rolę katalizatorów. Efektem ubocznym jest produkcja dużych ilości azotu. Konwekcja rozprowadza go po całej gwieździe, a później materia bogata w azot zostaje wyrzucona do przestrzeni kosmicznej i miesza się z gazem, z którego powstają kolejne pokolenia gwiazd. To właśnie ślady takiego procesu widzimy dziś w GS 3073.
Co więcej, obliczenia pokazują, że tak charakterystyczna sygnatura azotowa pojawia się tylko w dość wąskim przedziale mas gwiazd – poniżej około 1000 mas Słońca i powyżej 10 000 mas Słońca wzorzec chemiczny byłby już inny. Oznacza to, że GS 3073 przechowuje w swoim składzie chemicznym pamięć o konkretnym „punkcie” mas pierwszych gwiazd z kosmicznego świtu.
Od pierwotnych gwiazd do pierwszych kwazarów
Odkrycie w GS 3073 nie pojawiło się znikąd – doskonale wpisuje się w teoretyczny obraz narodzin pierwszych kwazarów, wypracowany w ostatnich latach. W 2022 roku na łamach czasopisma Nature zespół kierowany przez Mohammeda A. Latifa i Daniela J. Whalena pokazał, że w szczególnych warunkach we wczesnym Wszechświecie mogą naturalnie powstawać gwiazdy o masach rzędu dziesiątek tysięcy Słońc.
Symulacje kosmologiczne wskazują, że w bardzo rzadkich miejscach, gdzie kilka zimnych, gęstych strumieni gazu zderza się w jednym halo ciemnej materii, powstaje ekstremalnie burzliwe środowisko, które przez pewien czas hamuje zwykłe procesy gwiazdotwórcze. Gaz gromadzi się więc dalej, aż halo osiąga masę krytyczną i dochodzi do gwałtownego, globalnego zapadania się materii barionowej.
W tych warunkach zamiast całego roju typowych gwiazd III populacji rodzą się nieliczne, ale za to ogromne gwiazdy o masach dziesiątek tysięcy Słońc. Według obliczeń z pracy z 2022 roku szybko kończą one życie – nie w potężnych eksplozjach supernowych, lecz przez bezpośrednie zapadnięcie się do czarnych dziur o masach tysięcy mas Słońca. Tak masywne „nasiona” mają już bardzo dobry punkt wyjścia, by – karmione intensywnym napływem gazu – urosnąć do rozmiarów supermasywnych czarnych dziur obserwowanych w kwazarach przy przesunięciach ku czerwieni powyżej 6.
Nowe dane z JWST sugerują, że taki właśnie scenariusz rozegrał się w galaktyce GS 3073. Nadmiar azotu pasuje do modeli pierwotnych gwiazd, a w centrum galaktyki widać czynny, silnik napędzany czarną dziurą. Bardzo możliwe, że jest to bezpośredni spadkobierca jednej z takich masywnych gwiazd. W takim ujęciu GS 3073 staje się brakującym ogniwem łączącym symulacje narodzin pierwszych kwazarów z rzeczywistymi obserwacjami młodego Wszechświata.
Krótko żyjące olbrzymy z ery Wieków Ciemnych
Choć pierwsze tak masywne gwiazdy należały do pierwszego pokolenia gwiazd we Wszechświecie, ich czas życia był niezwykle krótki w skali kosmicznej – szacuje się go na zaledwie kilkaset tysięcy lat. Zanim jeszcze zakończyły ewolucję, zaczynały już jednak gruntownie zmieniać otoczenie: emitowały intensywne promieniowanie, a poprzez wiatry gwiazdowe i utratę masy wzbogacały gaz w cięższe pierwiastki.
To właśnie w tej epoce, w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu, Wszechświat przechodził z prostego składu chemicznego – wodoru i helu – do coraz bogatszej tablicy pierwiastków. Pierwsze, najbardziej masywne gwiazdy pełniły rolę „kosmicznych hut”, w których kształtowała się przyszła chemia galaktyk, planet, a ostatecznie także życia.
Długo wydawało się jednak, że bezpośrednie wykrycie śladów tak ekstremalnych obiektów będzie niemożliwe. Nawet JWST nie jest w stanie zobaczyć pojedynczej gwiazdy w galaktyce położonej miliardy lat świetlnych od nas. Możemy natomiast badać średni skład chemiczny gazu i gwiazd w odległych galaktykach – a to wystarczy, by dostrzec odciśnięty w nim ślad dawno zmarłych olbrzymów.
Nowe okno na kosmiczny świt
Autorzy badań podkreślają, że GS 3073 prawdopodobnie nie jest jedyną galaktyką, w której „pracowały” kiedyś pierwsze masywne gwiazdy. Przeciwnie – wraz z kolejnymi przeglądami nieba w podczerwieni JWST powinien odkrywać więcej obiektów o podobnie nietypowym składzie chemicznym. Każdy taki przypadek będzie dodatkowym argumentem za tym, że supermasywne gwiazdy nie były kosmiczną ciekawostką, lecz naturalnym, choć rzadkim produktem formowania struktur we Wszechświecie zdominowanym przez zimną ciemną materię.
Nowe wyniki spinają w spójną całość dwie do niedawna odrębne historie: teoretyczne symulacje gwałtownego zapadania się zimnych strumieni gazu i obserwacyjne dane z najpotężniejszego kosmicznego teleskopu. Z jednej strony pokazują, że nie potrzeba żadnych specyficznych warunków, by w młodym Wszechświecie powstały zalążki przyszłych kwazarów. Z drugiej – po raz pierwszy wskazują realną galaktykę, w której odciśnięty został podpis pracy takich gwiezdnych olbrzymów.
Kosmiczny świt v czas narodzin pierwszych gwiazd i galaktyk – przestaje być wyłącznie domeną symulacji i pośrednich wniosków. Dzięki JWST i rozwijającym się modelom teoretycznym zaczyna się odsłaniać jako konkretna, obserwowalna faza historii Wszechświata – z pierwszymi masywnych gwiazdami w jednej z głównych ról.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers find first direct evidence of “Monster Stars” from the cosmic dawn
- Turbulent cold flows gave birth to the first quasars
- 1000–10,000 M⊙ Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 at z = 5.55
Źródło: Uniwersytet w Portsmouth
Na ilustracji: Obraz pokazujący rozwój supermasywnych gwiazd. Źródło: Devesh Nandal, Centrum Astrofizyki, Instytut Teorii i Informatyki
