Jak raný vesmír získal své první těžké prvky?

V úplných počátcích vesmíru následovalo po Velkém třesku období zvané „kosmický temný věk“. Byla to doba, kdy byla kosmická směs prvotních částic tak hustá, že se jí světlo nemohlo šířit. Odtud pochází označení „temný“; také proto, že ani těmi nejlepšími dalekohledy do této epochy „nevidíme“. Ačkoliv nemáme přesnou časovou osu událostí rozepsanou „století po století“, neznamená to, že toto historické období nevedlo k něčemu zajímavému.

Na hmotu v raném vesmíru působila gravitace (a vliv temné hmoty), která shlukovala plyn dohromady. V těchto shlucích se začaly tvořit některé z nejstarších hvězd, a také první objekty, z nichž vznikaly galaxie. Hvězdy ve svých jádrech spalovaly vodík a přeměňovaly jej na helium. Jakmile se hvězdy rozzářily, znamenalo to počátek konce temného věku, neboť ultrafialové záření z těchto hvězd si dokázalo razit cestu kosmickou směsí. My na Zemi toto UV záření – protažené vlivem rozpínání vesmíru – vnímáme jako infračervené světlo.

Jak se hvězdy vyvíjely – a ty rané hvězdy byly bizarními obry, kteří žili bouřlivě a zanikali předčasně – vytvářely ve svých jádrech těžší prvky. Prostřednictvím hvězdných větrů a výbuchů supernov pak tyto hvězdy odstartovaly proces chemického obohacování vesmíru.

Právě tento aktualizovaný příběh o vývoji raného vesmíru odkrývá astronom Yongda Zhu z University of Arizona Department of Astronomy, a to na základě infračervených pozorování tří prastarých galaxií pořízených teleskopem JWST. „Zjistili jsme, že těžké prvky unikaly z galaxií velmi, velmi brzy po vzniku vesmíru,“ uvedl Yongda Zhu, hlavní autor studie o tomto výzkumu. „Galaxie tyto prvky nejen vytvářely, ale také je rozptylovaly do okolí, čímž možná ‚osévaly‘ další galaxie.“

Tři rané galaxie a epocha reionizace
Tři galaxie, které zkoumal Zhu, se (při pohledu skrze spektroskopické přístroje teleskopu JWST) jevily tak, jak vypadaly v době, kdy byl vesmír starý přibližně 500 milionů let. Nacházejí se ve vzdálenosti více než 13 miliard světelných let od nás, a to přímo v období epochy reionizace. Společně s dalšími ranými hvězdami přetvářely vesmír tím, že ionizovaly okolní jádra vodíku, což umožnilo průchod světla. Postupem času hvězdy zanikaly, čímž uvolňovaly prvky, které vytvořily, do okolního prostředí. „Samotné galaxie jsme využili jako zdroje světla v pozadí,“ uvedl Zhu. „Když světlo z těchto galaxií putovalo k Zemi, procházelo okolním plynem, a my jsme díky analýze jeho absorpce mohli detekovat konkrétní prvky.“

Jak astronomové vědí, že se tyto prvky vyskytovaly tak brzy? Zhu prohledával archivy dat z teleskopu JWST a hledal galaxie s absorpčními spektry, která vykazovala známky přítomnosti „těžkých“ prvků, jako jsou uhlík, kyslík a křemík. (Jsou těžší než vodík a helium a v astronomii se označují také jako „kovy“.) Našel tři galaxie, jejichž spektra tyto i další prvky obsahovala a zároveň vykazovala výrazný modrý posuv. Tento posuv naznačuje, že obohacené plyny se od galaxií vzdalovaly a pohybovaly se směrem k nám. Podle Zhua se tyto galaxie – z hlediska chemického složení – velmi podobají galaxiím, které již prošly značným vývojem. To znamená, že hvězdy a galaxie obohacovaly vesmír prvky vznikajícími v nitru hvězd již v nejranějších obdobích kosmické historie. Je to důležité, neboť právě z těchto prvků jsou složeny další hvězdy, planety (a také život).

„Představte si tyto prvky, které vznikly ve hvězdách daných galaxií, jako potravinářské barvivo kápnuté do sklenice vody,“ uvedl Zhu. „Barva se ve vodě začne šířit a podobným způsobem začaly tyto těžké prvky z raných galaxií unikat do vesmíru a obohacovat své okolí.“

Jsou chemicky obohacené galaxie hřbitovy prvních hvězd?
Astronomové již řadu let neustále pátrají po prvních hvězdách (označovaných jako hvězdy populace III). Jejich nalezení je obtížné z několika důvodů: nacházejí se ve velkých vzdálenostech a většina z nich (ne-li všechny) již zanikla. Právě ony zahájily dlouhou historii hvězdné nukleosyntézy (procesu vzniku prvků v hvězdných jádrech), která vedla k obohacení galaxií a následně k vzájemné výměně této hmoty mezi galaxiemi (jevu známému jako „baryonový cyklus“).

Veškerá tato hmota se nakonec recykluje a stává se součástí nových generací hvězd. Například Slunce je hvězdou populace I, což znamená, že hmota, z níž je složeno, již prošla nejméně jednou (ne-li několika) předchozími hvězdami. Existence baryonového cyklu v tak rané fázi dějin vesmíru svědčí o vysoce efektivním procesu tvorby hvězd, k němuž docházelo nedlouho po Velkém třesku. A právě díky těmto nejstarším hvězdám (které nám možná již zcela zmizely z dohledu) můžeme sledovat počátky chemického vývoje hvězd a galaxií.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/how-the-infant-universe-got-its-first-heavy-elements

autor: František Martinek