Astronomi traže prve zvijezde koje su promijenile svemir

NASA-in svemirski teleskop James Webb pomaknuo je granicu promatranja do vremena kada je svemir bio star tek oko 150 do 200 milijuna godina. U tom razdoblju, koje astronomi nazivaju kozmičkom zorom, prve galaksije počele su prekidati dugu tamu nakon Velikog praska.

Webb sada gleda prema vremenu prije prvih velikih galaksija

U samo nekoliko godina rada svemirski teleskop James Webb doveo je astronome do razdoblja koje je donedavno bilo gotovo nedostupno promatranjima. Potraga se više ne svodi na obaranje rekorda u udaljenosti. Ključno pitanje sada glasi: koliko se daleko može pratiti trenutak u kojem su se prve galaksije počele pojavljivati iz tame ranog svemira?

Novo istraživanje, objavljeno u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, temelji se na višespektralnom pregledu tisuća objekata koji je Webb proveo kroz 150 uskih vidnih polja. Ukupno promatrano područje obuhvaća 0,6 kvadratnih stupnjeva neba, što je tek oko tri puta više od prividne površine punog Mjeseca.

U tim se podacima nazire oštro prorjeđivanje galaksija koje stvaraju zvijezde kada se promatranja pomaknu prema vremenu samo 150 do 200 milijuna godina nakon Velikog praska. Za astronome je to presudan trag. Ondje gdje takvih galaksija naglo ponestaje, promatranja se približavaju razdoblju u kojem ih još gotovo nije bilo.

Richard Ellis, astrofizičar sa Sveučilišnog koledža u Londonu (UCL), daleki svemir proučava još od studentskih dana. Kada je 1968. počeo istraživati objekte s velikim crvenim pomakom, najudaljeniji poznati izvori uglavnom su bili sjajni kvazari, za koje se danas zna da su aktivne jezgre galaksija.

Astronomija je tada radila s mnogo skromnijim alatima. Veliki teleskopi današnje klase još nisu postojali, a promatranja su se bilježila na fotografskim pločama. Crveni pomak 3, koji se tada smatrao pogledom u vrlo dalek svemir, znači da se svemir od tog vremena proširio četiri puta. To jest pogled u epohu prije nastanka Sunčeva sustava, ali svemir je tada već imao oko trećinu današnje starosti.

Webb je tu granicu pomaknuo znatno dublje u prošlost, prema vremenu kada svemir nije imao ni dva posto današnje starosti. Upravo ondje astronomi sada traže prve galaksije, prve zvijezde i početak kemijske povijesti iz koje su mnogo kasnije nastali planeti.

Prve galaksije bile su sitne, ali iznimno burne

Nakon Velikog praska svemir se širio i hladio. U jednom trenutku nastali su atomi vodika, ali svemir je još bio taman. Postojali su golemi oblaci plina, no nisu svijetlili jer zvijezde još nisu postojale.

Ti su se oblaci postupno sažimali pod utjecajem gravitacije, u okruženju u kojem je tamna tvar imala ključnu ulogu. Kako se plin zgušnjavao, zagrijavao se. Kada su uvjeti postali dovoljno ekstremni, započele su prve nuklearne reakcije u jezgrama zvijezda. Svemir je tada prvi put počeo svijetliti zvjezdanom svjetlošću.

Najranije galaksije koje Webb danas vidi ne izgledaju poput Mliječne staze. Neke su imale promjere od samo 60 do 70 svjetlosnih godina, što ih po veličini približava zvjezdanim kuglastim skupovima više nego današnjim velikim galaksijama.

Ipak, njihova mala veličina vara. Prema Ellisu, takve su galaksije mogle stvarati zvijezde i do 20 puta brže od Mliječne staze. Astronomi ih zato promatraju u vrlo kratkoj, nasilnoj i mladoj fazi razvoja, kada se mali sustavi brzo pune novim zvijezdama.

Povezati te rane objekte s današnjim velikim spiralnim galaksijama, poput Mliječne staze i Andromede, jedan je od glavnih zadataka moderne kozmologije. Još veći izazov je pronaći tragove prvih zvijezda.

Najteže je dokazati da je nešto doista prvo

Astronomi posebno traže takozvane zvijezde populacije III. To bi bile prve zvijezde, nastale od gotovo čistog vodika i helija, bez težih elemenata. U astronomiji su “teški elementi” sve što je teže od vodika i helija, uključujući kisik, ugljik, silicij i željezo.

Problem je u tome što su najmasivnije prve zvijezde živjele vrlo kratko. Mogle su trajati samo nekoliko milijuna godina prije nego što bi eksplodirale kao supernove. Tim eksplozijama obogatile su okolni plin težim elementima. Nakon toga plin više nije bio kemijski netaknut.

Zato je potraga za prvim galaksijama i prvim zvijezdama spor i težak posao. Nije dovoljno pronaći vrlo udaljen objekt. Treba pokazati da u njemu nema znakova ranijih generacija zvijezda.

Jedan mogući put je potraga za kemijski netaknutim galaksijama, bez tragova kisika i drugih elemenata nastalih u supernovama. To je iznimno zahtjevno, jer odsutnost signala treba dokazati vrlo uvjerljivo.

Drugi put je statistički: pratiti kako se broj galaksija koje stvaraju zvijezde smanjuje što se gleda dalje u prošlost. Ako se pojavi oštar pad, to može označiti približavanje kozmičkoj zori.

Treći put vodi kroz kemiju. Astronomi mogu mjeriti kako se s udaljenošću mijenja omjer elemenata, primjerice kisika i vodika. Za to će trebati mnogo više spektara nego što ih znanstvenici trenutačno imaju, ali Ellis smatra da bi upravo ta metoda mogla biti najizglednija.

Trag vodika mogao bi otkriti trenutak kada se svemir upalio

Postoji i put koji ne ovisi samo o klasičnim svemirskim i zemaljskim teleskopima. Astronomi žele uhvatiti signal vodika iz vremena kada su prve galaksije počele zagrijavati okolni plin.

Kada su prve zvijezde osvijetlile svemir, oblaci vodika počeli su emitirati snažnu spektralnu liniju poznatu kao Lyman-alpha. U istoj priči važna je i radijska linija vodika od 21 centimetra, povezana s najnižim energetskim stanjem atoma vodika.

Zbog širenja svemira taj se signal danas ne bi vidio ondje gdje je nastao, nego bi bio pomaknut u radijski dio spektra. Budući radioteleskop Square Kilometre Array u zapadnoj Australiji mogao bi imati šansu pronaći takav trag u odnosu na kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.

Ako se taj signal potvrdi, astronomi bi dobili drukčiji pogled na kozmičku zoru. Ne bi gledali samo pojedinačne galaksije, nego i promjenu u samom plinu između njih.

Ellis taj trenutak smatra jednim od ključnih u povijesti svemira. Kemija od koje su kasnije nastali planeti, stijene, oceani i život počela je upravo u prvim generacijama zvijezda. Njihove eksplozije raspršile su elemente iz kojih su se oblikovali novi oblaci plina i prašine, zatim nove zvijezde, planetarni sustavi i, mnogo kasnije, svjetovi na kojima su se mogli pojaviti uvjeti za život.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.