Astronomové objevili první přímý důkaz „obřích hvězd“ z kosmického úsvitu

Mezinárodní tým vědců objevil pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) chemické „otisky prstů“ gigantických primordiálních hvězd, které patřily k prvním, jež vznikly po Velkém třesku.

Vědci objevili přesvědčivé pozorovací důkazy o existenci supermasivních prvních hvězd v galaxii s názvem GS 3073, která zářila v raném vesmíru. Data potvrzují klíčovou předpověď o tom, jak vznikly první kvasary – mimořádně jasné, aktivně se krmící černé díry. Toto je poprvé, co vědci našli přesvědčivé důkazy o existenci tak hmotných hvězd ve fosilním záznamu vesmíru.

Astronomové si dvě desetiletí lámali hlavu nad tím, jak mohly supermasivní černé díry – jedny z nejjasnějších objektů ve vesmíru – existovat necelou miliardu let po Velkém třesku. Normální hvězdy prostě nemohly vytvořit tak masivní černé díry dostatečně rychle.

Nyní mezinárodní tým s využitím vesmírného dalekohledu Jamese Webba nalezl první přesvědčivý důkaz, který tuto kosmickou záhadu řeší: v raném vesmíru existovala hvězdná monstra o hmotnosti 1 000krát až 10 000krát větší než hmotnost našeho Slunce.

Průlom vzešel ze zkoumání chemických signatur v galaxii s názvem GS 3073. Studie vedená University of Portsmouth v Anglii a Center for Astrophysics (CfA), Harvard and Smithsonian v USA odhalila extrémní nerovnováhu mezi dusíkem a kyslíkem, kterou nelze vysvětlit žádným známým typem hvězdy.

V roce 2022 vědci publikovali v časopise Nature práci, v níž předpovídají, že supermasivní hvězdy se přirozeně formovaly ve vzácných, turbulentních proudech studeného plynu v raném vesmíru, což vysvětluje, jak mohly kvasary (mimořádně jasné černé díry) existovat necelou miliardu let po Velkém třesku.

„Náš nejnovější objev pomáhá vyřešit 20letou kosmickou záhadu,“ řekl Daniel Whalen z University of Portsmouth's Institute of Cosmology and Gravitation. „S galaxií GS 3073 máme první pozorovací důkaz o existenci těchto obrovských hvězd.“

„Tito kosmičtí obři krátce brilantně zazářili, než se zhroutili do masivních černých děr a zanechali po sobě chemické podpisy, které můžeme detekovat o miliardy let později. Trochu jako dinosauři na Zemi – byli obrovští a primitivní. A měli krátký život, žili jen čtvrt milionu let – kosmické mrknutí oka.“

Klíčem k objevu bylo měření poměru dusíku a kyslíku v GS 3073. Galaxie obsahuje poměr dusíku a kyslíku v hodnotě 0,46 – mnohem vyšší, než lze vysvětlit jakýmkoliv známým typem hvězd nebo hvězdné exploze.

Devesh Nandal z CfA’s Institute for Theory and Computation vysvětlil: „Chemické zastoupení funguje jako kosmický otisk prstu, a vzorec v GS3073 se nepodobá ničemu, co mohou produkovat běžné hvězdy. Jeho extrémní množství dusíku odpovídá pouze jednomu druhu zdroje, který známe – primordiálním hvězdám tisíckrát hmotnějším než naše Slunce. To nám říká, že první generace hvězd zahrnovala skutečně supermasivní objekty, které pomáhaly formovat rané galaxie a mohly být základem dnešních supermasivních černých děr.“

Výzkumníci modelovali, jak se hvězdy o hmotnosti 1 000 až 10 000 hmotností Slunce budou vyvíjet a jaké prvky budou produkovat. Objevili specifický mechanismus, který vytváří obrovské množství dusíku:

1. Tyto obrovské hvězdy spalují ve svých jádrech hélium a produkují uhlík.
2. Uhlík proniká do okolní vrstvy, kde hoří vodík.
3. Uhlík se slučuje s vodíkem a vytváří dusík prostřednictvím cyklu uhlík/dusík/kyslík (CNO).
4. Konvekční proudy distribuují dusík po celé hvězdě.
5. Nakonec se tento materiál bohatý na dusík uvolní do vesmíru a obohatí okolní plyn.

Tento proces pokračuje miliony let během fáze spalování hélia ve hvězdě a vytváří přebytek dusíku, pozorovaný u GS 3073.

Modely publikované v Astrophysical Journal Letters také předpovídají, co se stane, když tyto monstrózní hvězdy zemřou. Neexplodují, ale zhroutí se přímo do masivních černých děr o hmotnosti tisíců hmotností Slunce.

Je zajímavé, že GS 3073 obsahuje ve svém středu aktivně se krmící černou díru – potenciálně samotný zbytek jedné z těchto supermasivních prvních hvězd. Pokud by se to potvrdilo, vyřešilo by to dvě záhady najednou – odkud se vzal dusík a jak se černá díra zformovala.

Studie také zjistila, že tento dusíkový podpis se objevuje pouze v určitém hmotnostním rozsahu. Hvězdy menší než 1 000 hmotností Slunce nebo větší než 10 000 hmotností Slunce nevytvářejí pro tento podpis správný chemický vzorec, což naznačuje „ideální místo“ pro tento typ obohacení.

Tato zjištění otevírají nové okno do prvních několika set milionů let vesmíru – období, které astronomové označují jako „kosmický temný věk“, kdy se první hvězdy zapálily a začaly transformovat jednoduchou chemii raného vesmíru na bohatou rozmanitost prvků, které dnes vidíme.

Vědci předpovídají, že JWST při dalším průzkumu raného vesmíru najde další galaxie s podobným nadbytkem dusíku. Každý nový objev by posílil argumenty pro tyto ultramasivní první hvězdy.

Zdroj: https://www.port.ac.uk/news-events-and-blogs/news/astronomers-find-first-direct-evidence-of-monster-stars-from-the-cosmic-dawn a https://www.cfa.harvard.edu/news/astronomers-find-first-direct-evidence-monster-stars-cosmic-dawn

autor: František Martinek