Prve zvijezde u svemiru možda su napokon opažene

Otkriće neobične, kemijski vrlo neobične galaksije GS 3073 u podacima svemirskog teleskopa James Webb (JWST) donosi najuvjerljiviji trag dosad da su prve zvijezde u svemiru, tzv. zvijezde populacije III, doista postojale. Ključni signal skriva se u neuobičajenom odnosu dušika i kisika u toj galaksiji, koja se vidi onakvom kakva je bila nešto više od milijardu godina nakon Velikog praska.

Kako su izgledale prve zvijezde

Nakon Velikog praska u svemiru su nastala samo tri kemijska elementa: vodik, helij i malo litija. Svi ostali elementi koji se danas nalaze u zvijezdama, planetima i živim organizmima nastali su kasnije, u zvijezdama i tijekom njihovih eksplozivnih završetaka. Trebale su proći desetci, a možda i stotine milijuna godina prije nego što su se u ranoj povijesti svemira počele formirati prve zvijezde.

Te prve zvijezde nisu bile nalik tipičnim zvijezdama koje se danas vide u Mliječnoj stazi. Simulacije pokazuju da su mnoge od njih bile iznimno masivne, s masama između 1 000 i 10 000 masa Sunca. Nastajale su u golemim oblacima vodika, gdje se plin mora dovoljno ohladiti i zgusnuti da bi se urušio u zvijezdu. U današnjem svemiru u tome pomažu “teži” elementi poput ugljika, kisika i dušika, jer olakšavaju hlađenje plinovitog oblaka. Što je veći njihov udio, brže se plin hladi i manja je najveća masa zvijezda koje se mogu formirati u tom području nastanka zvijezda.

U najranijim epohama svemira gotovo da nije bilo težih elemenata, pa su pojedini oblaci plina mogli stvoriti iznimno velike zvijezde koje su vrlo brzo potrošile svoje gorivo i završile u snažnim supernovama. Takve eksplozije obogatile su galaksije prvim težim elementima i ostavile iza sebe vrlo masivne crne rupe, moguće začetne oblike današnjih supermasivnih crnih rupa u središtima galaksija. Prepoznavanje njihovih tragova ključno je za razumijevanje nastanka velike strukture svemira.

“Naše najnovije otkriće pomaže razriješiti 20 godina star kozmički misterij”, istaknuo je u priopćenju suvoditelj istraživanja Daniel Whalen s Instituta za kozmologiju i gravitaciju Sveučilišta u Portsmouthu. “S galaksijom GS 3073 imamo prvi opažački dokaz da su te zvjezdane nemani doista postojale.”

Neobičan omjer dušika i kisika

Svjetlost galaksije GS 3073 dopire iz razdoblja kada je svemir bio star tek nešto više od milijardu godina. Zahvaljujući osjetljivosti Svemirskog Teleskopa James Webb, istraživači su mogli procijeniti kemijski sastav zvijezda i plina u toj dalekoj galaksiji. Uočili su nešto izuzetno: omjer dušika i kisika iznosi 0,46, znatno više nego što može objasniti bilo koja poznata vrsta zvjezdane eksplozije ili uobičajena povijest formiranja zvijezda.

Tim je stoga razvio model koji objašnjava kako je moguće postići tako ekstreman omjer. U središtu priče je način na koji zvijezde stvaraju nove elemente. U svojim jezgrama zvijezde spajaju vodik u helij, a upravo ta nuklearna fuzija daje im energiju. Kada u jezgri ponestane vodika, zvijezde počinju stapati helij, pri čemu nastaje ugljik. Dio tog ugljika “procijedi se” iz jezgre prema slojevima gdje je još prisutan vodik.

Ondje interakcije između ugljika i vodika stvaraju dušik. Budući da se dušik proizvodi izvan same jezgre, može se raznijeti po cijeloj zvijezdi i potom izbaciti u okolni prostor kada zvijezda eksplodira. Model pokazuje da taj proces obogaćivanja okoliša dušikom može dosegnuti ekstremne vrijednosti samo u zvijezdama koje su tisućama puta masivnije od Sunca.

Prema autorima rada, svemir danas više ne može formirati zvijezde mase između 1 000 i 10 000 masa Sunca. Takvi objekti bili su mogući samo u najranijim fazama, prije nego što su generacije zvijezda obogatile plin težim elementima i time promijenile način na koji se oblaci hlade i urušavaju. Neobičan kemijski potpis GS 3073 stoga upućuje upravo na prisutnost takvih prvih, kratkotrajnih divova.

“Kemijske obilnosti djeluju poput svojevrsnog kozmičkog potpisa, a uzorak u GS 3073 ne nalikuje ničemu što mogu proizvesti obične zvijezde. Njezin ekstremni dušik podudara se samo s jednom vrstom izvora koji poznajemo: primordijalnim zvijezdama tisućama puta masivnijima od Sunca.

“To nam govori da je prva generacija zvijezda uključivala uistinu supermasivne objekte koji su pomogli oblikovati rane galaksije i možda zasijali današnje supermasivne crne rupe”, izjavio je glavni autor Devesh Nandal, postdoktorski istraživač Švicarske nacionalne zaklade za znanost pri Centru za astrofiziku Harvard i Smithsonian.

Istraživači očekuju da će James Webb u idućim godinama otkriti još galaksija u ranom svemiru s tako izraženim omjerom dušika i kisika. Svaki novi primjerak pružit će dodatne podatke o prvoj generaciji zvijezda i o tome kako su njezini najmasivniji pripadnici utjecali na nastanak galaksija i supermasivnih crnih rupa koje se danas opažaju u središtima mnogih svemirskih sustava