Gwiazdy, które zapaliły młody Wszechświat. W końcu mamy ich ślad

Przez dekady pierwsze gwiazdy we Wszechświecie istniały głównie w symulacjach, równaniach i rekonstrukcjach. Teraz astronomowie mają to, co może być najmocniejszym jak dotąd śladem ich istnienia.

Dwa nowe preprinty oparte na obserwacjach z teleskopu Jamesa Webba opisują niewielki obiekt nazwany Hebe, znajdujący się tuż obok galaktyki GN-z11, z epoki zaledwie około 430 mln lat po Wielkim Wybuchu. W jego widmie widać bardzo silny sygnał zjonizowanego helu, a jednocześnie nie widać śladów cięższych pierwiastków. Taki zestaw od dawna uchodzi za jedną z najlepszych możliwych sygnatur gwiazd III populacji, czyli pierwszych gwiazd, które rozświetliły młody kosmos.

Czym były pierwsze gwiazdy?

Gdy Wszechświat był bardzo młody, nie istniały jeszcze znane nam dziś chemiczne cegiełki planet, skał i życia. Po Wielkim Wybuchu dominowały niemal wyłącznie wodór i hel, z minimalnym dodatkiem litu. Dopiero pierwsze gwiazdy zaczęły w swoich wnętrzach wytwarzać cięższe pierwiastki, a po śmierci rozrzucały je w kosmosie. To właśnie dlatego astronomowie traktują gwiazdy III populacji jako obiekty, które uruchomiły chemiczną ewolucję Wszechświata. Bez nich nie byłoby po prostu węgla, tlenu, żelaza ani kolejnych, bardziej normalnych pokoleń gwiazd i galaktyk.

Modele od bardzo dawna sugerują, iż te pierwsze gwiazdy były niezwykle masywne, bardzo gorące i żyły krótko – zwykle tylko kilka mln lat. To czyni je kosmicznie ważnymi, ale obserwacyjnie bardzo niewygodnymi. Powstały wcześnie, gwałtownie zniknęły i najpewniej nie zachowały się do dziś w formie, którą można by po prostu sfotografować. Zamiast szukać pojedynczej pierwszej gwiazdy, astronomowie szukają więc jej śladów: promieniowania, proporcji linii emisyjnych i chemicznego środowiska, które pasowałoby do epoki sprzed wzbogacenia kosmosu cięższymi pierwiastkami.

Co tak adekwatnie zobaczył James Webb?

Niewielki obiekt Hebe, położony jest około 3 kiloparseki od GN-z11, bardzo odległej galaktyki o przesunięciu ku czerwieni z = 10.6. To znaczy, iż widzimy ją jeszcze z czasu, gdy Wszechświat miał mniej niż pół miliarda lat. Już wcześniejsze obserwacje sugerowały, iż w tym rejonie może kryć się coś niezwykłego, ale nowe dane z instrumentu NIRSpec-IFU w trybie wysokiej rozdzielczości potwierdziły sygnał, który najbardziej elektryzuje badaczy: emisję He II przy 1640 angstremach. To linia helu zjonizowanego tak mocno, iż potrzeba do tego naprawdę ekstremalnie energetycznego promieniowania.

W nowej pracy zespół Roberto Maiolino podkreśla, iż sygnał He II jest już nie tylko sugestią z obserwacji średniorozdzielczych, ale został potwierdzony w głębszych danych wysokorozdzielczych. Co więcej, linia He II rozszczepia się na dwa składniki oddzielone o około 120 km/s. Jednocześnie nie widać linii cięższych pierwiastków. To właśnie silny hel, brak metali i bardzo wczesna epoka czyni z Hebe tak mocnego kandydata na miejsce, gdzie mogą świecić gwiazdy III populacji.

Sam hel to za mało. Istotna była także praca innego zespołu

Pojedyncza linia emisyjna zawsze niesie ryzyko pomyłki. W drugiej pracy prowadzonej przez Elkę Rustę zespół niezależnie wykrył z tego samego miejsca linię wodoru Hγ. To dało astronomom drugi punkt zaczepienia do identyfikacji źródła i pozwoliło lepiej oszacować stosunek helu do wodoru. W astrofizyce to ogromna różnica. Z prostego stwierdzenia, iż coś świeci przeszliśmy do informacji, jakiego rodzaju źródło mogło to wytworzyć.

Na tym właśnie polega siła tych dwóch prac. Nie są prostym powtórzeniem tego samego, tylko wzajemnie się wzmacniają. Jedna potwierdza samą obecność niezwykłego sygnału He II i jego własności, druga używa dodatkowej linii wodoru oraz modeli teoretycznych do zawężenia tego, jakie gwiazdy mogłyby dać taki widmowy podpis. W astronomii wczesnego Wszechświata najtrudniejsze jest odróżnienie najbardziej prawdopodobnego wyjaśnienia od jedynego możliwego wyjaśnienia. Tu badacze są mocni, ale ostrożni. Mówią o najsilniejszym jak dotąd dowodzie, a nie o absolutnym i ostatecznym zamknięciu sprawy.

Brak metali może zdziwić

W astronomii metale to wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu. o ile w widmie obiektu nie widać sygnałów węgla, tlenu, azotu czy innych cięższych pierwiastków, rośnie prawdopodobieństwo, iż patrzymy na środowisko bardzo słabo wzbogacone przez wcześniejsze generacje gwiazd. A to jest dokładnie to, czego spodziewalibyśmy się po obszarze zdominowanym przez gwiazdy III populacji.

To nie znaczy oczywiście jeszcze, iż Hebe jest idealnie dziewiczym kawałkiem kosmosu w absolutnym sensie, ale według zespołu Maiolino dane są zgodne z obiektem pozbawionym wykrywalnych linii metali, a to już samo w sobie jest bardzo mocnym wynikiem. W podsumowaniu autorzy piszą wprost, iż jedyne modele spójne z obserwowanym stosunkiem He II do Hγ oraz z ogromną szerokością równoważną He II to modele obejmujące gwiazdy III populacji.

Jakie mogły być te pierwsze gwiazdy?

Druga z prac idzie krok dalej i próbuje odpowiedzieć na pytanie, nie tylko czy to mogą być gwiazdy III populacji, ale także jakie mogły mieć masy. Zespół Elki Rusty wykorzystał obserwowany stosunek helu do wodoru i porównał go z modelami teoretycznymi. Wniosek jest taki, iż dane najlepiej pasują do rozkładu mas z przewagą gwiazd masywnych, czyli takiego, w którym dominują gwiazdy wyraźnie cięższe niż przeciętne gwiazdy dzisiejszego Wszechświata. Preferowany zakres to mniej więcej od 10 do 100 mas Słońca.

To bardzo dobrze zgadza się z dawnymi przewidywaniami teoretycznymi. jeżeli gaz zawiera wyłącznie najprostsze pierwiastki i nie ma jeszcze dużo cięższych atomów, które pomagają mu się chłodzić i fragmentować, łatwiej tworzą się bardzo masywne i gorące gwiazdy. Taki scenariusz od dawna był podstawą opowieści o pierwszych gwiazdach. Problem polegał tylko na tym, iż brakowało jakiegokolwiek naprawdę mocnego obserwacyjnego tropu. Hebe może być właśnie takim tropem.

Czy to na pewno są pierwsze gwiazdy?

Autorzy pracy Maiolino bardzo wyraźnie zaznaczają, iż gwiazdy III populacji są najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem, ale nie wszystkie alternatywy da się wyciąć absolutnie do zera. Rozważano m.in. bezpośrednio zapadającą się czarną dziurę albo pierwotną czarną dziurę. Te scenariusze wypadają gorzej, bo mają duże problemy z odtworzeniem obserwowanych szerokości linii, stosunku He II do Hγ i bardzo dużej równoważnej szerokości He II.

W pracy przeanalizowano również scenariusz z bardzo ubogimi w metale gwiazdami typu Wolfa-Rayeta, ale i ten wypadł słabo. Przy tak niskiej metaliczności ich wkład powinien gwałtownie maleć, a dodatkowo profil widmowy He II w Hebe nie wygląda jak klasyczny podpis populacji WR. Autorzy nie poprzestali więc na jednej atrakcyjnej interpretacji, tylko naprawdę próbowali zepsuć własną hipotezę. Jak na razie właśnie to psucie wypada na korzyść scenariusza z pierwszymi gwiazdami.

To odkrycie jest bardzo ważne w kontekście całej historii kosmosu

Pierwsze gwiazdy nie były tylko pierwszymi lampami we Wszechświecie. To one zaczęły produkować promieniowanie jonizujące, cięższe pierwiastki i pierwsze czarne dziury gwiazdowe. Bez nich nie byłoby dalszej ewolucji galaktyk w znanej nam formie. Właśnie dlatego odkrycie natury tych gwiazd jest jednym z głównych celów współczesnej kosmologii i misji JWST. jeżeli Hebe naprawdę daje nam wgląd w taką populację, to patrzymy na jeden z najbardziej podstawowych rozdziałów historii kosmosu.

GN-z11 już wcześniej była jedną z ikon obserwacji bardzo młodego Wszechświata, a teraz jej otoczenie może okazać się jeszcze ważniejsze niż sama galaktyka. jeżeli w pobliżu tak jasnego, wczesnego obiektu przetrwała kieszeń niemal niewzbogaconego gazu, w której zapaliły się gwiazdy III populacji, to oznacza, iż młody Wszechświat mógł być bardziej chemicznie i strukturalnie patchworkowy, niż nam się to mogło wydawać. Zamiast jednego gładkiego przejścia od pierwszych gwiazd do normalnych galaktyk, mogliśmy mieć okres pełen lokalnych kieszeni pierwotności.