Otkrivena rijetka zvijezda koja nosi trag prvih zvijezda svemira

U jedva vidljivoj patuljastoj galaksiji Pictor II astronomi su pronašli zvijezdu koja izgleda kao sačuvani ostatak najranijeg svemira. Njezin kemijski sastav toliko je siromašan željezom, a toliko neobično bogat ugljikom, da istraživačima prvi put daje jasan trag o tome kako su izgledale prve generacije zvijezda i odakle potječu neke od najstarijih zvijezda koje danas vidimo na rubovima Mliječne staze.

Zvijezda nosi oznaku PicII-503 i nalazi se na vanjskom rubu galaksije Pictor II, malog i vrlo starog sustava u zviježđu Slikar. Ta galaksija sadrži tek nekoliko tisuća zvijezda i starija je od deset milijardi godina. Upravo zato za astronome predstavlja svojevrsni relikt ranog svemira, mjesto na kojem se tragovi prvih kemijskih procesa mogu sačuvati mnogo čišće nego u velikim i kasnije snažno izmiješanim galaksijama.

PicII-503 sadrži manje od 0,0025 posto količine željeza kakvu ima Sunce, što je najmanje dosad izmjereno izvan Mliječne staze. Istodobno je neobično bogata ugljikom, pa nosi isti kemijski potpis kakav astronomi već dugo opažaju u drevnim zvijezdama u halo-području naše galaksije, ali bez jasnog odgovora gdje je taj potpis nastao.

Istraživanje je vodio Anirudh Chiti sa Sveučilišta Stanford, a rad je objavljen u časopisu Nature Astronomy. Prema autorima, PicII-503 prvi je nedvojben primjer “zvijezde drugog naraštaja” otkrivene u jednoj vrlo blijedoj patuljastoj galaksiji. To znači da nije nastala među prvim zvijezdama u svemiru, nego odmah nakon njih, iz plina koji je već bio obogaćen materijalom njihovih eksplozija.

Sićušna galaksija, golema priča

Prve zvijezde nastale su u svemiru koji je sadržavao gotovo samo vodik i helij. Tek su u njihovim užarenim jezgrama počeli nastajati prvi teži elementi, među njima ugljik i željezo. Kada su te zvijezde završile život u eksplozijama, taj je materijal završio u okolnom prostoru i od njega su se počele oblikovati nove zvijezde. Upravo takvi objekti, nastali odmah nakon prve generacije, mogu sačuvati kemijski zapis najranije faze kozmičke povijesti.

PicII-503 izdvojena je u okviru pretrage MAGIC, velikog promatračkog programa koji je tijekom 54 noći tražio najstarije i kemijski najsiromašnije zvijezde u Mliječnoj stazi i okolnim patuljastim galaksijama. Ključnu ulogu imala je kamera DECam postavljena na 4-metarski teleskop Víctor M. Blanco u čileanskom opservatoriju Cerro Tololo, koji djeluje u sklopu centra NSF NOIRLab.

Istraživači su pritom koristili posebni uskopojasni filtar osjetljiv na apsorpcijske linije kalcija, pa su iz samih snimaka mogli procijeniti koliko teških elemenata sadrže tisuće zvijezda. Među stotinama objekata u blizini Pictora II upravo se PicII-503 izdvojio kao izniman kandidat za detaljno promatranje. Bez tih podataka, upozorava Chiti, bilo bi gotovo nemoguće izdvojiti baš tu zvijezdu iz mnoštva drugih u istom području neba.

Tek dodatna opažanja na teleskopu Magellan/Baade i na Vrlo Velikom Teleskopu Europskog južnog opservatorija potvrdila su koliko je PicII-503 neobična. Pokazalo se da ta zvijezda ima najmanje dosad izmjerene količine željeza i kalcija izvan Mliječne staze. Zbog toga je istraživači smatraju dosad najjasnijim primjerom zvijezde koja je u maloj drevnoj patuljastoj galaksiji sačuvala kemijski trag prvih zvijezda.

Ugljik je riješio zagonetku

Još važniji od samog manjka željeza pokazao se omjer ugljika i željeza. Kod PicII-503 taj je omjer više od 1500 puta veći nego na Suncu. To je isti onaj neobični potpis koji astronomi već dugo nalaze kod dijela vrlo starih zvijezda u halo-području Mliječne staze, takozvanih ugljikom obogaćenih zvijezda siromašnih metalima. Problem je bio u tome što se nije znalo kako su nastale.

Jedno od objašnjenja polazilo je od slabijih, niskoenergetskih eksplozija prvih zvijezda. U takvom scenariju teži elementi, poput željeza, nastali bliže središtu zvijezde, ne bivaju odbačeni daleko u svemir, nego većinom ponovno padaju u kompaktni ostatak nakon eksplozije. Lakši elementi iz vanjskih slojeva, poput ugljika, lakše pobjegnu i obogate okolni plin iz kojeg se zatim oblikuje nova zvijezda.

PicII-503 snažno podupire upravo takvu sliku. Pictor II jedna je od najmanjih poznatih patuljastih galaksija. Da je eksplozija koja je obogatila plin iz kojeg je ta zvijezda nastala bila vrlo snažna, izbačeni elementi vjerojatno bi napustili tako malen sustav. To se očito nije dogodilo. Zbog toga ova zvijezda ne govori samo o vlastitom podrijetlu, nego i o vrsti supernove koja je prethodila njezinu nastanku.

Time se istodobno zatvara i jedna šira priča o samoj Mliječnoj stazi. Kemijski potpis PicII-503 gotovo se podudara s potpisom drevnih zvijezda koje danas kruže u halo-području naše galaksije. Najizravnije tumačenje jest da su mnoge od njih izvorno nastale u prastarim patuljastim galaksijama sličnima Pictoru II, koje su se s vremenom stopile s Mliječnom stazom.

Zato PicII-503 nije tek još jedan ekstremno stari objekt, nego rijedak izravan pogled u trenutak kada je svemir počeo stvarati prve elemente od kojih će kasnije nastati planeti, složenija kemija i naposljetku život. Astronomi sada očekuju da bi nova otkrića te vrste mogla stići s početkom velike promatračke kampanje “Legacy Survey of Space and Time” na Opservatoriju Rubin, koja bi mogla otvoriti potpuno novu fazu kozmičke arheologije.