Przejdź do treści

Stary obłok gazowy pokazuje, że pierwsze gwiazdy musiały powstać bardzo szybko po Wielkim Wybuchu

img

Astronomowie odkryli obłok gazu, który zawiera informacje o wczesnej fazie powstawania galaktyk i gwiazd, z okresu zaledwie 850 mln lat po Wielkim Wybuchu. Obłok został znaleziony przypadkowo podczas obserwacji odległego kwazara i ma właściwości, których astronomowie oczekują od prekursorów współczesnych galaktyk karłowatych. Jeżeli chodzi o względną obfitość, chemia obłoku jest zaskakująco współczesna, co pokazuje, że pierwsze gwiazdy we Wszechświecie musiały powstać bardzo szybko po Wielkim Wybuchu.

Kiedy astronomowie patrzą na odległe obiekty, patrzą w przeszłość. Gazowy obłok odkryty przez astronomów jest tak odległy, że podróż światła od niego do Ziemi zajęła prawie 13 mld lat. Czyli światło docierające do nas mówi nam teraz, jak wyglądał obłok gazu prawie 13 mld lat temu, nie więcej niż ok. 850 mln lat po Wielkim Wybuchu. Dla astronomów jest to niezwykle interesująca epoka. W ciągu pierwszych kilkuset lat po Wielkim Wybuchu powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki, ale szczegóły tej złożonej ewolucji są nadal w dużej mierze nieznane.

Ten bardzo odległy obłok gazu był przypadkowym odkryciem. Astronomowie śledzili kilka kwazarów z przeglądu 15 najbardziej odległych znanych kwazarów (z=6,4). Początkowo naukowcy zauważyli, że kwazar P183+05 ma raczej niezwykłe widmo. Ale kiedy Eduardo Bañados, prowadzący badania, przeanalizował bardziej szczegółowe widmo, uzyskane dzięki Teleskopom Magellana w Obserwatorium Las Campanas w Chile, stwierdził, że chodzi o coś innego: dziwne cechy widmowe były śladami obłoku gazu, który znajdował się bardzo blisko odległego kwazara – jeden z najodleglejszych obłoków gazowych, jaki astronomowie byli w stanie zidentyfikować.

Kwazary to niezwykle jasne aktywne jądra odległych galaktyk. Siłą napędową ich jasności jest centralna supermasywna czarna dziura znajdująca się w galaktyce. Materia wirująca wokół czarnej dziury, zanim do niej wpadnie, nagrzewa się do temperatur sięgających setek tysięcy stopni, emitując ogromne ilości promieniowania. Pozwala to astronomom wykorzystywać kwazary jako źródła tła do wykrywania wodoru i innych pierwiastków chemicznych w absorpcji: jeżeli obłok gazu znajduje się bezpośrednio między obserwatorem a odległym kwazarem, część światła kwazara zostaje pochłonięta.

Astronomowie są w stanie wykryć tę absorpcję badając widmo kwazara. Wzór absorpcji zawiera informacje o składzie chemicznym obłoku gazowego, temperaturze, gęstości, a nawet o odległości obłoku od nas (i od kwazara). Stoi za tym fakt, że każdy pierwiastek chemiczny ma swoisty „odcisk palca” linii widmowych – wąski obszar długości fali, w którym atomy tego pierwiastka mogą emitować lub pochłaniać światło szczególnie dobrze. Obecność charakterystycznego odcisku palca ukazuje obecność i obfitość określonego pierwiastka.

Na podstawie widma obłoku naukowcy mogli natychmiast określić jego odległość i spojrzeć wstecz na pierwszy miliard lat kosmicznej historii. Znaleźli także ślady kilku pierwiastków chemicznych, w tym węgla, tlenu, żelaza i magnezu. Jednak ilość tych pierwiastków była niewielka, jedynie 1/800 razy większa, niż w atmosferze Słońca. Astronomowie nazywają metalami wszystkie pierwiastki cięższe od helu; ten pomiar sprawia, że ten obłok gazu jest jednym z najbardziej ubogich w metale (i odległych) układów znanych we Wszechświecie. Michael Rauch z Carnegie Institution of Science, który jest współautorem badania, mówi: „Po tym, jak byliśmy przekonani, że patrzymy na tak pierwotny gaz zaledwie 850 mln lat po Wielkim Wybuchu, zaczęliśmy się zastanawiać, czy układ ten może nadal zachowywać chemiczne podpisy wytwarzane przez gwiazdy pierwszej generacji.”

Znalezienie tych gwiazd pierwszej generacji, tak zwanych gwiazd „trzeciej populacji”, jest jednym z najważniejszych celów w rekonstrukcji historii Wszechświata. W późniejszym Wszechświecie pierwiastki chemiczne cięższe od wodoru odgrywają ważną rolę w zapadaniu się obłoku w gwiazdy. Ale te pierwiastki chemiczne, zwłaszcza węgiel, same wytwarzane są w gwiazdach i wyrzucane w przestrzeń kosmiczną podczas wybuchów supernowych. W przypadku pierwszych gwiazd te pierwiastki by nie istniały, ponieważ bezpośrednio po fazie Wielkiego Wybuchu istniały tylko atomy wodoru i helu. To sprawia, że pierwsze gwiazdy zasadniczo różnią się od wszystkich późniejszych gwiazd.

Analiza wykazała, że skład chemiczny obłoku nie był chemicznie pierwotny, ale zamiast tego względne ilości były zaskakująco podobne do ilości pierwiastków obserwowanych w dzisiejszych międzygalaktycznych obłokach gazowych. Stosunki liczebności cięższych pierwiastków były bardzo zbliżone do proporcji we współczesnym Wszechświecie. Fakt, że obłok gazu we wczesnym Wszechświecie zawiera już metale o współczesnych względnych obfitościach chemicznych, stanowi kluczowe wyzwanie dla formowania się gwiazd pierwszej generacji.

Badanie to sugeruje, że formowanie się pierwszych gwiazd w tym układzie musiało rozpocząć się znacznie wcześniej: oczekiwane od pierwszych gwiazd wydajności chemiczne zostały już usunięte przez wybuchy co najmniej jednej generacji gwiazd. Szczególne ograniczenie czasowe wynika z supernowych typu Ia, kosmicznych eksplozji, które byłyby wymagane do wytworzenia metali o obserwowanych względnych obfitościach. Takie supernowe potrzebują zwykle ok. 1 mld lat, co stanowi poważne ograniczenie dla wszelkich scenariuszy powstawania pierwszych gwiazd.

Teraz, gdy astronomowie odkryli ten wczesny obłok, systematycznie szukają dodatkowych przykładów. Eduardo Bañados mówi: „To ekscytujące, że możemy mierzyć metaliczność i obfitość chemiczną tak wcześnie w historii Wszechświata, ale jeżeli chcemy zidentyfikować sygnatury pierwszych gwiazd, musimy sondować jeszcze wcześniej w kosmicznej historii. Jestem optymistą, że znajdziemy jeszcze bardziej odległe obłoki gazu, które mogłyby nam pomóc zrozumieć, w jaki sposób narodziły się pierwsze gwiazdy.”

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Ancient gas cloud shows that the first stars must have formed very quickly

A metal-poor damped Ly-alpha system at redshift 6.4

Źródło: Max Planck Institute