Przejdź do treści

Zagadka wczesnego formowania się gwiazd we Wszechświecie

Nowe obserwacje sugerują, że gwiazdy zaczęły formować się zaledwie 250 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To całkiem nowa zagadka dla współczesnej kosmologii.

Nature donosi, że tak zwane ciemne wieki w historii kosmosu mogły trwać krócej, niż dotychczas przypuszczano - "nawet mniej niż 250 milionów lat. Takuya Hashimoto (Osaka Sangyo University w Japoni) wraz ze swym zespołem z pomocą sieci ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) zbadał dokładniej daleką galaktykę MACS1149-JD1, której światło zostało do nas wysłane 550 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To najodleglejsza jak dotąd galaktyka, w której astronomowie byli w stanie zidentyfikować poszczególne pierwiastki. W tym ważny i długo poszukiwany przez nich sygnał: ślad tlenu.

Tlen to coś, czego nie było w bardzo młodym Wszechświecie. Tuż po Wielkim Wybuchu istniał w nim jedynie wodór, hel i trochę litu. Skąd więc wzięło się całe bogactwo innych pierwiastków? Wyprodukowały je właśnie gwiazdy. Gdy pierwsza narodzona w kosmosie generacja masywnych gwiazd eksplodowała, nastąpiło rozsianie węgla, tlenu i innych ciężkich pierwiastków w przestrzeni. Dlatego niedawne odkrycie tlenu pochodzącego już z okresu blisko 550 milionów lat po Wielkim Wybuchu sugeruje, że właśnie wtedy pierwotne pokolenia gwiazd formowały się, po czym umierały.

Hashimoto i jego koledzy szacują, że ta pierwsza generacja gwiazd musiała powstać 250 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To 150 milionów lat wcześniej, niż poprzednio oceniono dla innej podobnej galaktyki, jaką dokładnie zbadali astronomowie. Co więcej, nowy wynik jest w zgodzie ze wstępnym rezultatami eksperymentu EDGES, w którym znaleziono sygnał chemiczny związany z gwiazdami utworzonymi zaledwie 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wynik EDGES wciąż jednak czeka na potwierdzenie innych grup wykonujących podobne eksperymenty. W rzeczywistości wysiłki zmierzające do wykrycia sygnatur pierwszych gwiazd trwają już od dziesięcioleci.

W swej pracy badawczej zespół Hashimoto wykorzystał również dane podczerwone zebrane za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble'a i Kosmicznego Teleskopu Spitzera. Dzięki nim możliwe było zliczenie gwiazd widocznych w odległej galaktyce. Zazwyczaj galaktyki posiadają niewielką liczbę gwiazd o dużej masie i dużą liczbę gwiazd o niskich masach. Gwiazdy bardziej masywne ewoluują i umierają znacznie szybciej niż małomasywne, a część z nich wybucha jako supernowe już w kilka milionów lat po swych narodzinach. Natomiast gwiazdy o niższej masie mogą przetrwać tryliony lat - znacznie dłużej niż obecny wiek Wszechświata.

Ale zespół zaobserwował w odległej galaktyce MACS1149-JD1 jeszcze mniej gwiazd o dużej masie niż się spodziewano. To oznacza, że formacja gwiazdowa została tam w jakiś sposób powstrzymana, a następnie znów się rozpoczęła, zwiększając swe tempo. Co ciekawe, wynik ten zdaje się być sprzeczny z przewidywaniami i symulacjami dotyczącymi wczesnego Wszechświata. Naukowcy sądzili na ich podstawie, że tempo powstawania gwiazd rośnie z czasem wykładniczo, począwszy od wczesnych epok w historii kosmosu - przynajmniej dla galaktyk o dużej masie, takich jak ta badana przez Hashimoto. Zatem w przewidujących taki wynik symulacjach może brakować jakiejś ukrytej zmiennej.

Odkrywanie tego "brakującego składnika" będzie z pewnością celem przyszłych badań, ale już teraz naukowcy mają kilka wyjaśnień takiego stanu rzeczy. Być może pierwsza generacja gwiazd wytworzyła znacznie potężniejsze supernowe, niż zakładali dotychczas teoretycy. Możliwe też, że w tej konkretnej galaktyce znajduje się wyjątkowo żarłoczna, supermasywna czarna dziura. W obu tych przypadkach gaz, który stanowi budulec dla nowych gwiazd, byłby wypychany z galaktyki, co skutecznie powstrzymywałoby dalszą formację gwiazdową.

W rozwiązaniu tej zagadki może pomóc Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zaplanowany na rok 2020. Będzie on w stanie bezpośrednio obrazować setki, a nawet tysiące galaktyk we wczesnych epokach istnienia kosmosu.

 

Czytaj więcej:

Oryginalna publikacja naukowa
T. Hashimoto et al. “The onset of star formation 250 million years after the Big Bang.” Nature, maj 2018
Cały artykuł
 

Źródło: Nature, Space&Telescope

Na zdjęciu: Gromada galaktyk MACS J1149.5+2223 (Kosmiczny Teleskop Hubble’a). We wstawce:  mapa wykonana z pomocą sieci ALMA ujawnia tlen (kolor zielony) w odległej galaktyce MACS1149-JD1.
Źródło: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / Hashimoto et al., NASA / ESA Hubble Space Telescope / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / CLASH Team