Potężne dżety z pierwszych gwiazd we wszechświecie

Tak mogły wyglądać pierwsze eksplozje supernowych we wszechświecie: zamiast sferycznych eksplozji, te potężne eksplozje mogły emitować asymetryczne dżety wyrzucając ciężkie pierwiastki, takie jak cynk, w przestrzeń międzygwiezdną. Powyższy still z animacji przedstawia kształt supernowej 50 sekund po rozpoczęciu eksplozji. Źródło: Melanie Gonick

Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, pierwsze gwiazdy rozświetliły wszechświat jako masywne jasne zagęszczenia wodoru i helu. W jądrach tych pierwszych gwiazd, ekstremalne, termojądrowe reakcje produkowały pierwsze cięższe pierwiastki takie jak węgiel, żelazo i cynk.

Te pierwsze gwiazdy były prawdopodobnie niezwykle dużymi, krótkotrwałymi kulami ognia, a naukowcy zakładają, że eksplodowały one tak samo jak równie sferyczne supernowe.

Jednak teraz astronomowie z MIT i innych uniwersytetów odkryli, że te pierwsze gwiazdy mogły kończyć swoje życie w znacznie bardziej energetyczny i nieregularny sposób, emitując dżety, które były na tyle gwałtowne, że mogły wyrzucać ciężkie pierwiastki do sąsiednich galaktyk. Te pierwiastki z czasem stanowiły materię, z której powstawała druga generacja gwiazd, z których część możemy obserwować po dziś dzień.

W artykule opublikowanym niedawno w Astrophysical Journal badacze opisują dużą zawartość cynku w HE 1327-2326, starej gwieździe należącej do drugiej generacji gwiazd we wszechświecie. Badacze uważają, że gwiazda mogła pozyskać tak dużą ilość cynku wskutek asymetrycznej eksplozji jednej z pierwszych gwiazd, która wzbogaciła obłok gazu, z którego potem powstała HE 1327-2326.

“Gdy gwiazda eksploduje, część tej gwiazdy opada do powstającej czarnej dziury” mówi Anna Frebel, profesor fizyki na MIT i członek Instytutu Kavli. “Dopiero gdy mamy jakiś mechanizm – na przykład dżet – można rozrzucić po otoczeniu część tej materii, która potem się pojawi w gwiazdach kolejnej generacji. Jesteśmy przekonani, że tak było i w tym wypadku”.

“To pierwszy obserwacyjny dowód na taką asymetryczną supernową we wczesnym wszechświecie” dodaje Rana Ezzeddine z MIT, główna autorka opracowania. “To zmienia naszą wiedzę o tym jak eksplodowały pierwsze gwiazdy”.

HE 1327-2326 została odkryta przez Frebel w 2005 roku. W tym czasie gwiazda była najbardziej ubogą w metale gwiazdą jaką udało się zaobserwować, czyli miała niezwykle małe domieszki pierwiastków cięższych od wodoru i helu – to wskazywał, że powstała jako gwiazda drugiej generacji w czasach, kiedy większość obecnie obserwowanych ciężkich pierwiastków jeszcze nie istniała.

“Pierwsze gwiazdy były na tyle masywne, że niemal natychmiast eksplodowały” mówi Frebel. “Mniejsze gwiazdy, które powstawały w drugiej generacji istnieją jeszcze dzisiaj i mają w swoich wnętrzach wczesną materię pozostawioną jeszcze po pierwszych gwiazdach we wszechświecie. Nasza gwiazda ma jedynie niewielką domieszkę pierwiastków cięższych od wodoru i helu, dzięki czemu wiemy, że musiała powstać jako gwiazda drugiej generacji”.

W maju 2016 roku zespół badaczy miał okazję obserwować gwiazdę, która znajduje się stosunkowo blisko nas – zaledwie 5000 lat świetlnych od Ziemi. Badacze otrzymali czas na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a i przez dwa tygodnie rejestrowali promieniowanie gwiazdy podczas wielu orbit. W ramach obserwacji wykorzystano instrument Cosmic Origins Spectrograph do zmierzenia obfitości różnych pierwiastków w składzie chemicznym gwiazdy.

Spektrograf został zaprojektowany tak, aby rejestrować słabe promieniowanie ultrafioletowe. Niektóre długości fali takiego promieniowania pochłaniane są przez określone pierwiastki, takie jak cynk. Badacze sporządzili listę ciężkich pierwiastków, które według nich mogłyby się znaleźć w takiej gwieździe i zaczęli przeczesywać dane ultrafioletowe w poszukiwaniu krzemu, żelaza, fosforu i cynku.

“Pamiętaj jak otrzymaliśmy swoje dane i zauważyliśmy tą wyraźną linię cynku. Nie mogliśmy w to uwierzyć, więc przeanalizowaliśmy dane jeszcze raz, a potem jeszcze raz” wspomina Ezzeddine. “Okazało się, że jak byśmy tego nie mierzyliśmy, wynikiem była wysoka obfitość cynku”.

Frebel i Ezzeddine następnie skontaktowali się ze swoimi współpracownikami z Japonii, którzy specjalizują się w tworzeniu symulacji supernowych i gwiazd kolejnej generacji powstałych z materii wzbogaconej przez te supernowe. Badacze przeprowadzili 10 000 symulacji supernowych, w każdej z nich zmieniając energię, konfigurację i inne parametry eksplozji. Okazało się, że choć większość symulacji sferycznych supernowych było w stanie wytworzyć kolejne gwiazdy ze składem chemicznym takim jaki charakteryzuje HE 1327-2326, żadna z nich nie była w stanie odtworzyć silnego sygnału od cynku.

Okazuje się, że jedyna symulacja, która byłaby w stanie wyjaśnić skład chemiczny gwiazdy włącznie z wysoką obfitością cynku, o symulacja asferycznej supernowej z emisją dżetu. Taka supernowa byłaby ekstremalnie silną eksplozją o energii 10^30 większą od bomby wodorowej.

“Okazało się, że ta pierwsza supernowa była dużo bardziej energetyczna niż przypuszczano wcześniej, jakieś 5-10 razy bardziej energetyczna” mówi Ezzeddine.

Wyniki badań uzyskane przez naukowców mogą teraz zmienić podstawy naszej wiedzy o okresie rejonizacji, w którym gaz wypełniający wszechświat zmienił się z obojętnego w zjonizowany, co z kolei umożliwiło powstawanie galaktyk.

“Na podstawie wcześniejszych obserwacji uważano, że pierwsze gwiazdy nie były tak jasne lub energetyczne, aby eksplodując miały znaczący udział w rejonizowaniu wszechświata” mówi Frebel. “Na swój sposób zmieniamy ten obraz i wykazujemy, że być może pierwsze gwiazdy miały wystarczającą energię w trakcie eksplozji i mogły znacząco przyczynić się do rejonizacji”.

Te pierwsze supernowe mogły być wystarczająco silne, aby wyrzucić ciężkie pierwiastki do sąsiednich “dziewiczych galaktyk”, w których jeszcze nie powstały żadne gwiazdy.

“Gdy w obłoku wodoru i helu znajdzie się choć trochę cięższych pierwiastków, znacznie łatwiej zapoczątkować powstawanie gwiazd, szczególnie tych mniejszych” mówi Frebel. “Robocza hipoteza mówi, że być może gwiazdy drugiej generacji tego typu powstawały w tych zanieczyszczonych dziewiczych układach, a nie w tych, w których dochodziło do eksplozji supernowej tak jak zwykle zakładaliśmy. Być może właśnie otworzyliśmy nowy dział badań wczesnych procesów gwiazdotwórczych”.

Źródło: MIT

Więcej o poszukiwaniu pierwszych gwiazd w wykonaniu Anny Frebel można przeczytać w jej niezwykle ciekawej książce, którą jakiś czas temu dla Was opisywałem tutaj: