Tim astrofizičara u simulacijama visoke rezolucije rekonstruirao je trenutak stvaranja prvih zvijezda svemira, poznatih kao zvijezde Populacije III. Rezultati pokazuju da je turbulentno strujanje pri nadzvučnim brzinama u prvobitnim oblacima plina presudno oblikovalo njihovu masu i brojnost.
Razdoblje prije pojave prvih izvora svjetla astronomi nazivaju Mračno Doba. Svemir se tada, oko 370 tisuća godina nakon Velikog praska, dovoljno ohladio da postane proziran, no zvijezda još nije bilo. Danas možemo gledati vrlo rane galaksije pomoću svemirskog teleskopa James Webb, ali nastanak pojedinačnih zvijezda prije više od 13 milijardi godina ostaje izvan dosega izravnog opažanja. Zbog toga se znanstvenici oslanjaju na numeričke modele.
Novo istraživanje, objavljeno u časopisu The Astrophysical Journal Letters, koristi simulacijski softver GIZMO i početne uvjete iz velikih kozmoloških simulacija IllustrisTNG kako bi prikazalo nastanak prvih zvjezdotvornih oblaka u ranom svemiru. Vodeći autor je Ke-Jung Chen s Instituta za astronomiju i astrofiziku Academia Sinica na Tajvanu. Autori su pratili kolaps minihaloa, male gravitacijske nakupine tamne tvari mase 1,05 × 10^7 Sunčevih masa, unutar koje se plin skupljao i hladio do gustoća potrebnih za početak nuklearne fuzije.
Za razliku od prijašnjih radova koji su modelirali tek mali isječak svemira, veličine 0,3 do 2 megaparseka, ovaj je tim simulaciju pokrenuo u mnogo širem kozmološkom okviru od oko 50 megaparseka. Zatim su u području gdje nastaje oblak lokalno podigli razlučivost tehnikom “razdvajanja čestica”, povećavši efektivnu rezoluciju za oko 10^5 puta. Takav pristup omogućio je praćenje kretanja plina do skala djelića parseka. Parsek iznosi 3,26 svjetlosnih godina.
Turbulencija mijenja sliku o masi prvih zvijezda
Simulacije pokazuju da plin pri vrlo velikim brzinama pada u gravitacijsko polje minihaloa tamne tvari te se prema središtu slijeva duž tankih nitastih struktura, takozvanih filamenta. Strujanja dosežu oko pet puta veću brzinu od brzine zvuka, pa nastaje turbulencija pri nadzvučnim brzinama koja razlama oblak na više gustih nakupina. Umjesto da zakoči nastanak zvijezda, ovakav kaotičan tok pogoduje stvaranju većeg broja jezgri. U jednoj od njih oblikuje se kandidat za zvijezdu od približno 8 Sunčevih masa.
“Ovo je prvi put da smo uspjeli u potpunosti razlučiti razvoj turbulencije u najranijoj fazi nastanka prvih zvijezda”, kaže Ke-Jung Chen. “Pokazujemo da su nasilna, neuređena kretanja bila prisutna i da su imala ključnu ulogu u oblikovanju tih objekata.” Autori naglašavaju da je dotok plina izrazito neujednačen i usmjeren duž nekoliko dominantnih pravaca te da plimne sile rastućeg haloa tamne tvari oblikuju nakupine unutar oblaka.
Implikacije su važne za razumijevanje zvijezda Populacije III. Klasični modeli često ih prikazuju kao vrlo masivne, usamljene zvijezde koje završavaju kao rijetke, ali iznimno energične supernove zbog stvaranja parova (engl. pair-instability supernovae), eksplozije koje bi u sljedećim generacijama zvijezda ostavile prepoznatljiv kemijski potpis. Takvi tragovi do danas nisu nedvosmisleno potvrđeni. Ako su, kako sugeriraju ove simulacije, zvijezde Populacije III bile brojnije i općenito manje mase, supernove su bile rjeđe, a kemijski potpisi slabiji, što može objasniti njihovu odsutnost u opažanjima.
“Naši rezultati upućuju da rani rast struktura prirodno stvara turbulenciju pri nadzvučnim brzinama koja presudno oblikuje primordijalne oblake plina i regulira masu zvijezda Populacije III”, zaključuju autori. Sljedeći je korak tražiti neizravne tragove takvog turbulentnog početka u podacima JWST-a i budućih opažačkih kampanja.
Ivan je novinar, bloger i autor s više od 15 godina iskustva u digitalnim medijima. Piše o širokom spektru tema, uključujući svemir, astronomiju, znanost, povijest i arheologiju. Objavljuje kao gostujući autor u Večernjem listu, a kao stručni sugovornik gostovao je u emisijama na kanalima Science Discovery i History Channel. Osnivač je portala Kozmos.hr, prvog hrvatskog online magazina posvećenog popularizaciji znanosti i svemira.
