W głębi kosmosu, wewnątrz niewielkiej i niezwykle słabej galaktyki karłowatej, astronomowie natrafili na obiekt, który można określić mianem „gwiezdnej kapsuły czasu”. Gwiazda oznaczona symbolem PicII-503 jest jednym z najbardziej prymitywnych chemicznie obiektów, jakie kiedykolwiek udało się zidentyfikować. Jej skład chemiczny stanowi bezpośredni zapis wybuchowych narodzin i śmierci pierwszych gwiazd, jakie kiedykolwiek zaświeciły we wszechświecie. To przełomowe odkrycie, opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Nature Astronomy, rzuca nowe światło na procesy formowania się pierwiastków i ewolucję galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej.
Kosmiczna archeologia w galaktyce Malarz II
Odkrycia dokonano w galaktyce karłowatej Pictor II (Malarz II), znajdującej się w gwiazdozbiorze Malarza. Jest to system liczący zaledwie kilka tysięcy gwiazd, którego wiek szacuje się na ponad 10 miliardów lat. To właśnie tam, na obrzeżach tego antycznego układu, badacze zlokalizowali PicII-503. Gwiazda ta należy do niezwykle rzadkiej drugiej generacji gwiazd. Oznacza to, że powstała ona bezpośrednio z materii wyrzuconej podczas eksplozji gwiazd pierwszej generacji (tzw. III populacji), które składały się wyłącznie z wodoru i helu.
Zespół badawczy, pod kierownictwem Anirudha Chitiego ze Stanford University, wykorzystał do poszukiwań potężne narzędzie: Dark Energy Camera (DECam) zainstalowaną na 4-metrowym teleskopie Víctora M. Blanco w Chile. Dzięki projektowi MAGIC (Mapping the Ancient Galaxy in CaHK), astronomowie przeczesali tysiące gwiazd w poszukiwaniu tych o najniższej metaliczności. PicII-503 wyróżniała się na tle innych obiektów tak drastycznie, że natychmiast stała się celem szczegółowych obserwacji prowadzonych przez największe teleskopy świata, w tym Magellan/Baade oraz Bardzo Duży Teleskop (VLT) należący do ESO.
Chemiczny odcisk palca: Brak żelaza i nadmiar węgla
To, co czyni PicII-503 obiektem wyjątkowym w skali całego kosmosu, to jej niesłychany skład chemiczny. Astronomowie zmierzyli, że zawartość żelaza w tej gwieździe jest ponad 40 000 razy mniejsza niż w naszym Słońcu. Jest to najniższa wartość żelaza i wapnia, jaką kiedykolwiek odnotowano w gwieździe znajdującej się poza granicami Drogi Mlecznej. W astronomii zawartość pierwiastków cięższych od helu nazywa się metalicznością, a PicII-503 jest pod tym względem niemal sterylnie czysta.
Z drugiej strony, gwiazda ta wykazuje zdumiewający nadmiar węgla. Stosunek węgla do żelaza jest w niej ponad 1500 razy wyższy niż w Słońcu. Taka sygnatura chemiczna nie jest przypadkowa – jest ona „odciskiem palca” konkretnego rodzaju zjawiska, które miało miejsce miliardy lat temu. Odkrycie to stanowi brakujące ogniwo łączące specyficzne gwiazdy obserwowane w halo Drogi Mlecznej z ich pierwotnym miejscem narodzin w starożytnych galaktykach karłowatych.
Tajemnica niskoenergetycznych supernowych
Skąd bierze się tak dziwna proporcja pierwiastków? Naukowcy stawiają hipotezę, że PicII-503 powstała z gazu wzbogaconego przez tzw. niskoenergetyczną supernową gwiazdy pierwszej generacji. W procesie tym dochodzi do specyficznego sortowania materii. Pierwiastki ciężkie, takie jak żelazo, które powstają w samym centrum umierającej gwiazdy, nie zostają wyrzucone w przestrzeń, lecz zapadają się do wewnątrz, tworząc obiekt zwarty (np. czarną dziurę lub gwiazdę neutronową). W przestrzeń międzygwiezdną uciekają jedynie lżejsze pierwiastki z zewnętrznych warstw, takie jak węgiel.
Fakt, że PicII-503 znajduje się w tak małej galaktyce jak Pictor II, potwierdza tę teorię. Gdyby pierwotna eksplozja była wysokoenergetyczna, wyrzucona materia poruszałaby się z prędkością przekraczającą prędkość ucieczki z tak małego układu i po prostu opuściłaby galaktykę. Obecność węgla w PicII-503 dowodzi, że proces ten był subtelny, co pozwoliło zachować cenne pierwiastki wewnątrz grawitacyjnego uścisku Pictor II.
Nowy rozdział w historii Drogi Mlecznej
Odkrycie to ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia historii naszej własnej Galaktyki. W halo Drogi Mlecznej od lat obserwowano gwiazdy o podobnym profilu (ubogie w metale, bogate w węgiel), ale ich pochodzenie było przedmiotem debat. Teraz mamy jasny dowód: te obiekty prawdopodobnie narodziły się w małych, pierwotnych systemach, takich jak Pictor II, które z czasem zostały wchłonięte przez Drogę Mleczną podczas procesów łączenia się galaktyk.
Jak zauważają eksperci z NSF NOIRLab, odkrycia takie jak to są formą kosmicznej archeologii. Pozwalają nam zajrzeć do pierwszego rozdziału historii chemicznej wszechświata – momentu, w którym powstały fundamenty pod budowę przyszłych planet, cząsteczek organicznych i ostatecznie samego życia. Astronomowie z niecierpliwością czekają na uruchomienie Obserwatorium Very C. Rubin jeszcze w tym roku, co ma przynieść tysiące kolejnych odkryć podobnych „gwiezdnych skamielin”, pozwalając nam odtworzyć pełną mapę początków kosmosu.
Źródło: Nature Astronomy