Dugo se naše razumijevanje prvih galaksija u svemiru oslanjalo pretežno na teorijske osnove. Svjetlost iz te daleke ere doputovala je do nas nakon milijardi godina, tijekom kojih je bila zamagljena i protegnuta u infracrveni spektar. Upravo su u toj isprekidanoj svjetlosti sakrivene indicije o prvim galaksijama. S pojavom Svemirskog teleskopa James Webb i njegovih izvanrednih infracrvenih kapaciteta, zavirili smo dalje u prošlost – i to s većom jasnoćom – nego što je to ikada prije bilo moguće.
Kako prenosi Universe Today, JWST je fotografirao neke od najranijih galaksija, pokrenuvši time val novih spoznaja i postavljajući brojna izazovna pitanja. Ipak, nije u mogućnosti vidjeti pojedinačne zvijezde. Kako astronomi mogu prepoznati njihov učinak na prve galaksije svemira? Zvijezde su moćni i dinamični objekti koji raspolažu ogromnom snagom. Sposobne su za spajanje atoma u potpuno nove elemente, proces poznat kao nukleosinteza. Posebno su učinkovite supernove, čije snažne eksplozije oslobađaju energiju i materiju, raspršujući ih natrag u svemir.
Prve zvijezde, kako su izgledale?
Supernove su postojale od samih početaka svemira. Prve zvijezde, poznate kao zvijezde Populacije III (Pop III), bile su iznimno masivne. Upravo su masivne zvijezde one koje završavaju kao supernove, što implicira da je broj supernova među zvijezdama Populacije III bio izuzetno visok.
Nedavna istraživanja fokusirana su na razumijevanje kako su supernove utjecale na galaksije koje su ih ugostile. Studija koja će uskoro biti objavljena u časopisu The Astrophysical Journal trenutno je dostupna na otvorenom serveru arXiv. Glavni autor studije je Ke-Jung Chen s Instituta za astronomiju i astrofiziku, Akademija Sinica, Tajvan.
Srž ovog istraživanja je metalicitet zvijezda. Na početku svemira, dominirali su prapovijesni vodik, helij te tragovi litija i berilija. Ako pogledate periodni sustav elemenata, to su prva četiri elementa. U astronomiji, elementi teži od vodika i helija nazivaju se “metali”, a metalicitet u svemiru vremenom raste zahvaljujući zvjezdanoj nukleosintezi.
Međutim, vodik je dominirao svemirom tada, kao što dominira i danas. Tek nakon formiranja i eksplozije prvih zvijezda, drugi elementi počinju odigravati svoju ulogu.
“Rođenje prapovijesnih zvijezda (Pop III) oko z ~ 20 ~ 25 označilo je kraj kozmičkog mračnog doba i početak formiranja prvih galaksija i supermasivnih crnih rupa,” ističu autori studije. Međutim, u središtu ovog istraživanja je njihova uloga u stvaranju astronomskih metala.
Hidrodinamičke simulacije
Koristeći računalne hidrodinamičke simulacije, istraživači su analizirali kako su zvijezde Pop III oblikovale rane galaksije, proučavajući supernove kolapsa jezgre, supernove parne nestabilnosti i hipernove.
Zvijezde nastaju samo iz hladnog, gustog plina. Kada je plin previše vruć, nije dovoljno gust da se sruši u protozvijezdane jezgre. Istraživanja pokazuju da kada zvijezde Pop III eksplodiraju kao supernove, stvaraju metale i šire ih u okolni plin. Ti metali brzo hlade plin, potičući brže formiranje zvijezda. “Naši nalazi ukazuju da ostaci supernova iz top-teške inicijalne masovne funkcije Pop III stvaraju više metala, što dovodi do efikasnijeg hlađenja plina i ranijeg formiranja zvijezda Pop II u prvim galaksijama.”
Simulacije su otkrile da ostaci supernova (Supernova remnants ili SNR) iz Pop III padaju prema centru tamnih materijalnih haloa u kojima se nalaze. “Ovi SNR-ovi Pop III zajedno s prapovijesnim plinom vuku se gravitacijom haloa prema njegovom centru,” navode autori. Ponekad se ti ostaci supernove sudaraju, stvarajući turbulencije koje miješaju plin i metale iz SN, “formirajući filamentarne strukture koje se brzo kondenziraju u guste grude zbog samogravitacije i hlađenja metala u plinu.”
Formiranje zvijezda
Ova dinamika vodi do pojačanog formiranja zvijezda, iako su te zvijezde u tom trenutku još uvijek Populacije III, neobogaćene prethodnim supernovama Pop III i sastavljene od primordijalnog plina. Neki od ovih kasnijih zvijezda Pop III formiraju se prije nego što originalni dosegne središte, uspostavljajući složenu dinamiku interakcije.
Drugi val zvijezda Pop III zatim inicira intenzivne radijacijske i povratne efekte od supernove, prije nego što prvi ostaci supernova Pop III stignu do središta haloa, kako autori navode.
Zvijezde Pop III, sa svojim intenzivnim UV zračenjem, zagrijavaju okolni plin i inhibiraju formiranje novih zvijezda. S obzirom na to da su ove zvijezde masivne, njihov životni vijek je kratak. Kada eksplodiraju, šire metale u okolinu, što omogućava hlađenje plina i potiče stvaranje novih zvijezda.
Tako su zvijezde Pop III oblikovale najranije galaksije. Ubacivanjem metala u oblake plina nužne za stvaranje zvijezda, ohladile su plin. To hlađenje je dovelo do fragmentacije oblake plina, omogućujući formiranje manje masivnih zvijezda Pop II. “Zahvaljujući efikasnom hlađenju metala, masovni raspon zvijezda Pop II pomaknuo se prema nižem kraju, što ih je dovelo do formiranja u klasterima.”
Zvijezde Pop III većinom su postojale unutar haloa tamne tvari. Ipak, ovo istraživanje otkriva njihovu ključnu ulogu u oblikovanju sljedećih generacija zvijezda Pop II, koje su naselile rane galaksije. Suprotno ranijim pretpostavkama o prvobitnim galaksijama koje su se smatralo da su bile ispunjene izuzetno metalima siromašnim zvijezdama Pop II, ovo istraživanje pokazuje drugačije. “Stoga zaključujemo da zvijezde s izuzetno niskim udjelom metala nisu bile tipične za većinu primitivnih galaksija,” objašnjavaju autori, čime se pruža novi uvid u kompoziciju i razvoj ranih galaktičkih struktura.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
