Nie możemy zobaczyć pierwszych gwiazd z bliska. Możemy za to szukać ich chemicznych odcisków w najstarszych gwiazdach naszego kosmicznego sąsiedztwa.
Pierwszych gwiazd Wszechświata najprawdopodobniej już nie ma. Powstały z niemal dziewiczego gazu, gwałtownie przeżyły swoje życie i eksplodując rozsypały po kosmosie większe ilości cięższych pierwiastków. Nie znaczy to jednak, iż zniknęły bez śladu. Najnowsze symulacje jasno pokazują, iż ich chemiczny podpis mógł przetrwać ponad 13 mld lat i przez cały czas może być zapisany w starych gwiazdach oraz niewielkich galaktykach znajdujących się w naszym kosmicznym sąsiedztwie.
Możemy patrzeć w przeszłość na dwa zupełnie różne sposoby
Naukowcy związani m.in. z University of Bath, University of Chicago i Institut d’Astrophysique de Paris próbują połączyć dwa sposoby badania początków Wszechświata, które dotychczas rozwijały się trochę osobno. W opublikowanym właśnie badaniu wykorzystali nowe symulacje MEGATRON, aby prześledzić narodziny pierwszych gwiazd, ich śmierć oraz dalszą podróż wyprodukowanych przez nie pierwiastków.
Z jednej strony mamy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby do nas dotrzeć, JWST obserwując bardzo odległe galaktyki, widzi je takimi, jakie były ponad 13 mld lat temu. To niemal bezpośrednie zdjęcia młodego Wszechświata. Z drugiej strony można, zamiast patrzeć bardzo daleko, przyjrzeć się najstarszym gwiazdom znajdującym się stosunkowo blisko. Ich skład chemiczny działa jak prawdziwe, arcyciekawe z naszej perspektywy archiwum.
Na Spider’s Web opisywaliśmy już gwiazdę PicII-503, która prawdopodobnie należy do drugiego pokolenia gwiazd. Sama nie jest jedną z pierwszych gwiazd Wszechświata, ale mogła powstać z gazu wzbogaconego przez ich eksplozje. Ma mniej niż 1/43 000 słonecznej zawartości żelaza i niezwykle dużo węgla w stosunku do żelaza. To właśnie takie obiekty są dla astronomów czymś w rodzaju kosmicznych skamieniałości.
Na początku prawie nie było z czego budować
Krótko po Wielkim Wybuchu skład Wszechświata był bardzo monotonny. Dominowały wodór i hel, z niewielką domieszką litu. Węgla, tlenu, żelaza czy wapnia praktycznie nie było. Pierwsza generacja gwiazd, nazywana Population III, musiała więc powstawać z zupełnie innego materiału niż Słońce i większość gwiazd, które widzimy dzisiaj.
Tak naprawdę to dopiero w ich wnętrzach rozpoczęła się produkcja cięższych pierwiastków. Kiedy masywne gwiazdy kończyły życie, wyrzucały ten materiał w otoczenie. Kolejne pokolenia powstawały już z gazu zawierającego niewielkie ilości tego, co wyprodukowały poprzedniczki. Potem proces powtarzał się miliardy razy, dlatego im starsza i bardziej pierwotna jest gwiazda, tym ciekawszy może być jej skład. Nie chodzi tylko o to, ile ma żelaza, węgla czy tlenu. Ważne są również proporcje między poszczególnymi pierwiastkami. Różne rodzaje gwiazd i eksplozji pozostawiają po sobie inne zestawy chemiczne.
Astronom może więc potraktować widmo starej gwiazdy trochę jak badanie DNA i próbować odtworzyć jej przodków. Ogromne przeglądy Drogi Mlecznej dostarczają już milionów takich gwiezdnych odcisków palca. Problem polegał jednak na tym, jak wiarygodnie przejść od widocznego dzisiaj składu do gwiazdy, która eksplodowała ponad 13 mld lat temu. MEGATRON próbuje to sprytnie zmienić i uzupełnić naszą wiedzę.
Pierwsze supernowe zostawiły bardzo charakterystyczny ślad
Symulacja zaczyna się od pierwotnego gazu pozbawionego ciężkich pierwiastków, a następnie pozwala powstawać pierwszym gwiazdom. Jednocześnie śledzi ruch gazu, promieniowanie gwiazd, eksplozje supernowych oraz rozchodzenie się produkowanych przez nie pierwiastków.
To szalenie ważne, bo wcześniejsze uproszczone modele często rozpatrywały część tych procesów oddzielnie. Tutaj gwiazda nie tylko wybucha i dorzuca porcję żelaza do tabelki. Jej światło wcześniej wpływa na otaczający gaz, może hamować albo zmieniać formowanie kolejnych gwiazd, a później eksplozja rozrzuca materię w środowisku, które samo cały czas się zmienia.
W symulowanych najmniejszych galaktykach karłowatych pojawiło się coś bardzo charakterystycznego. Dla obiektów zawierających najwyżej około 100 tys. mas Słońca w gwiazdach średnia metaliczność przestawała spadać i tworzyła coś w rodzaju plateau na poziomie około [Fe/H] = -2,5. Badacze powiązali ten efekt z wyjątkowo potężnymi eksplozjami pierwszych gwiazd – supernowymi niestabilności par.
Takie eksplozje mogą całkowicie rozerwać bardzo masywną gwiazdę i wyrzucić ogromną ilość ciężkich pierwiastków. W modelu MEGATRON część pierwszych gwiazd eksploduje już wewnątrz halo ciemnej materii wystarczająco masywnych, aby nie stracić całego wzbogaconego gazu. Galaktyka zatrzymuje więc część chemicznego spadku po pierwszej generacji.
Ten podpis może przetrwać do dzisiaj
Symulowany fragment młodego Wszechświata został dobrany tak, aby z czasem rozwinął się w środowisko przypominające Drogę Mleczną. Naukowcy sprawdzili więc, czy charakterystyczny chemiczny ślad pierwszych gwiazd zostanie zatarty przez kolejne miliardy lat powstawania gwiazd, wybuchów i łączenia się galaktyk. Nie został on jednak całkowicie zniszczony.
Zarówno plateau zawartości żelaza, jak i populacja wyjątkowo ubogich w żelazo galaktyk przetrwały w niewielkich satelitach znajdujących się wokół głównej galaktyki pod koniec symulacji. Model przewiduje też, iż około 20 proc. najmniejszych galaktyk może należeć do wyjątkowo ubogiej w żelazo grupy o [Fe/H] poniżej -3. To daje astronomom bardzo konkretny cel. Nie musimy liczyć wyłącznie na to, iż JWST bezpośrednio uchwyci światło odpowiedniej pierwszej gwiazdy na drugim końcu obserwowalnego Wszechświata. Można równolegle badać stare gwiazdy w Drodze Mlecznej i otaczających ją galaktykach karłowatych.
Wiemy już, iż takie ekstremalnie stare chemicznie obiekty faktycznie istnieją stosunkowo blisko nas. Nie są samymi gwiazdami Population III, ale materia, z której powstały, może pamiętać ich eksplozje.
Kosmiczna archeologia dostała brakujący most
JWST pokazuje nam galaktyki istniejące kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Galaktyczna archeologia patrzy natomiast na stare gwiazdy, które przetrwały do współczesności. Jedna metoda obserwuje kosmiczne dzieciństwo bezpośrednio, druga odczytuje jego pozostałości po ponad 13 mld lat. Do tej pory połączenie jednego obrazu z drugim wymagało wielu założeń. Nowe symulacje mają pokazać fizyczną drogę łączącą te dwa końce historii.
Projekt MEGATRON tak naprawdę dopiero się rozpędza. Ruszył w 2023 r. i ma działać do 2030 r., a zespół dostał już 40 mln godzin pracy brytyjskich superkomputerów na przygotowanie dokładniejszych symulacji. To będzie bardzo potrzebne, ponieważ obecny wynik przez cały czas jest przewidywaniem modelu, a nie identyfikacją konkretnej pobliskiej gwiazdy jako bezspornego produktu jednej z pierwszych supernowych. Teraz wiadomo przynajmniej, czego szukać.
*Źródło grafiki wprowadzającej: AI / Canva Pro
