Pierwsze gwiazdy we Wszechświecie – czy uda się je znaleźć?

Pierwsze gwiazdy we Wszechświecie powstały z pierwotnych pierwiastków stworzonych w czasie Wielkiego Wybuchu, więc nie zawierały metali. Do nich należało zsyntetyzowanie tych pierwiastków i rozpowszechnienie ich w kosmosie.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) przeszukuje Wszechświat w celu wykrycia pierwszych galaktyk. Badacze chcą również posłużyć się nim by znaleźć pierwsze gwiazdy.

Znalezienie pierwszych galaktyk we Wszechświecie jest niezwykle trudnym zadaniem i jedną z głównych motywacji budowy JWST. Światło z tych starożytnych obiektów jest przesunięte ku czerwieni, JWST doskonale sobie radzi z wykrywaniem tego spektrum. Wykonując obserwacje głębokiego pola w podczerwieni, teleskop kosmiczny zlokalizował niektóre z najwcześniejszych galaktyk.

Pierwsze gwiazdy są jednak starsze niż pierwsze galaktyki. Gwiazdy uformowały się około 50 do 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a ich światło ostatecznie zakończyło „Ciemne Wieki” we Wszechświecie. Astrofizycy uważają, że gwiazdy te były niezwykle duże, osiągając masę do tysiąca mas Słońca.

Nowe badanie Erika Zackrissona z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji, zatytułowane „The detection and characterization of highly magnified stars with JWST: Prospects of finding Population III”, opublikowane w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, dotyczyło poszukiwania najstarszych gwiazd.

„Ze względu na brak wydajnych chłodziw i fragmentację w chemicznie niewzbogaconym gazie w tych wczesnych okresach, powstałe gwiazdy pozbawione metali (inaczej Populacja III) charakteryzują się niezwykle wysokimi masami (masy charakterystyczne ~ 10-1000 mas Słońca)” – piszą naukowcy.

Aby zobaczyć te wczesne, masywne gwiazdy, JWST będzie potrzebował pomocy soczewkowania grawitacyjnego. „Soczewkowanie grawitacyjne może sprawić, że pojedyncze gwiazdy o dużej masie będą wykrywalne w odległościach kosmologicznych, a w ostatnich latach wykryto kilka niezwykle powiększonych gwiazd aż do przesunięcia ku czerwieni z ~ 6″ – wyjaśniają autorzy. (Przy z ~ 6, światło potrzebowało ponad 12,7 miliarda lat świetlnych, aby do nas dotrzeć).

Soczewkowanie grawitacyjne wykorzystuje moment, w którym masywny obiekt pierwszego planu, taki jak gromada galaktyk, znajduje się pomiędzy obserwatorem a obiektem, który ma zamiar zaobserwować. Gdy światło z celu przechodzi przez obiekt pierwszego planu – zwany soczewką grawitacyjną – światło jest „powiększane”. Dzięki temu niewidoczny obiekt staje się możliwy do obserwacji.

Pierwsze gwiazdy znajdują się w odległości około z=20 pod względem przesunięcia ku czerwieni, Teleskop Webba powinien być w stanie uchwycić to światło, jeśli będzie w stanie wykorzystać soczewkowanie grawitacyjne. Jeśli tak się stanie, JWST zacznie dostarczać obserwacyjnych dowodów na to co działo się we wczesnym Wszechświecie, który do tej pory rozumiemy głównie za pomocą teorii – Epoka Rejonizacji (EoR).

Podczas EoR wszechświat był zdominowany przez gęstą mgłę wodoru. Kiedy uformowały się pierwsze gwiazdy, ich światło ultrafioletowe zjonizowało gaz, umożliwiając światłu ruch. Jest to krytyczny etap w życiu Wszechświata, więc znalezienie niektórych z dawnych gwiazd Populacji III, które były za to odpowiedzialne, jest kluczowe w zrozumieniu jego ewolucji.

Zdaniem badaczy pierwsze gwiazdy ukształtowały Wszechświat. Były masywne, miliony razy jaśniejsze od Słońca i żyły krótko w porównaniu do gwiazd takich jak to w Układzie Słonecznym. Wybuchały jako supernowe lub zapadały się w czarne dziury. Te, które stały się czarnymi dziurami, pochłonęły gaz i inne gwiazdy, stając się pierwszymi kwazarami we Wszechświecie. Astrofizycy uważają, że kwazary te rozwijały się poprzez akrecję i łączenie, aby stać się supermasywnymi czarnymi dziurami, które zakotwiczają centra galaktyk takich jak nasza Droga Mleczna.

Te, które eksplodowały jako supernowe, również odegrały ważną rolę. Wykuwały one pierwiastki cięższe niż wodór i hel, a następnie rozprzestrzeniały metale w przestrzeni kosmicznej, gdy eksplodowały. Gwiazdy, które pojawiły się później, zawierały niektóre z tych metali, a pierwiastki te utworzyły również ciała skaliste. Przed supernowymi Populacji III nie istniały żadne skaliste planety oraz nie było możliwości powstania życia. Masywne, starożytne gwiazdy, niezależnie od tego, czy zakończyły się jako supernowe, czy czarne dziury, pomogły stworzyć Wszechświat, który widzimy dziś.

JWST zapewne nie uda się pozyskać zdjęć pierwszych gwiazd, ale powinien dostarczyć dane. Nie będą one łatwe do zrozumienia dla naukowców. Trudno jest spektroskopowo odróżnić gwiazdy wzbogacone w metale od ubogich w metale gwiazd typu Populacji III. Jednym z powodów jest to, że większość tych masywnych gwiazd prawdopodobnie występuje w parach, co komplikuje sygnał świetlny. Innym powodem jest to, że jeśli gwiazdy są jeszcze stosunkowo młode, mogą być otoczone mgławicowym wodorem, co również utrudnia interpretację sygnałów świetlnych.

Emil Gołoś