Evo što nam Zwicky 18 može reći o prvim zvijezdama u svemiru

Galaksija plavog patuljaka udaljena samo 59 milijuna svjetlosnih godina može udomiti rođake tajanstvene zvijezde Stanovništva III.

Prve zvijezde u svemiru bile su za razliku od bilo koje koju danas možemo vidjeti. Astronomima poznatim kao zvijezde Stanovništva III., Bile su velike, masivne i gotovo u potpunosti sastavljene od vodika i helija. Zvijezde populacije III bile su važne jer su obogatile međuzvjezdani medij metalima - svi elementi teži od vodika i helija - i sudjelovali u rejonizaciji, događaju nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska koji je svemir učinio transparentnijim.

Pronalaženje zvijezda III populacije moglo bi potvrditi važne dijelove naše teorije kozmologije i evolucije zvijezda. Međutim, već bi trebali krenuti s Mliječnog puta jer su već odavno eksplodirali kao supernove. Možemo zaviriti u daleki svemir kako bismo ih potražili na velikim crvenim pomacima - i doista, svemirski teleskop James Webb će učiniti upravo to - ali otkrivanje pojedinih zvijezda na toj udaljenosti je izvan naših trenutnih mogućnosti. Do sada teleskopi nisu pojavili ništa.

Slika svemirskog teleskopa Hubble I Zwicky 18 prikazuje plin osvijetljen mladim plavim zvijezdama. Kreditna slika: NASA / ESA / A. Aloisi.

No nedavna promatranja obližnje patuljaste galaksije pod nazivom I Zwicky 18 dala su nam malo nade. Samo 59 milijuna svjetlosnih godina, čini se da galaksija sadrži oblake vodika koji su gotovo bez metala. Štoviše, to je u toku praska formiranja zvijezda koje bi mogle proizvoditi zvijezde vrlo slične zvijezdama Stanovništva III. Ako bismo mogli saznati više o ovoj galaksiji, to bi nam moglo dati tragove o tome kako izgledaju najranije zvijezde i galaksije u svemiru.

Je li trenutni val formiranja zvijezda prvi?

U početnim HI opažanjima I Zwicky 18 korišten je radio interferometar u Westerborku, u Nizozemskoj. Bonus slike: korisnik Wikipedije Onderwijsgek, pod Creative Commons Imenovanje-Dijeli pod istim brojem 2.5 Nizozemska licenca.

Jedna od prvih studija koja je skrenula pozornost na mogućnost da I Zwicky 18 formira zvijezde analogne populaciji III bila je Lequex & Viallefond 1980. Oni su nadopunili postojeća optička promatranja HII regija - oblake ioniziranog plina koji ugošćuju mlade, vruće, masivne zvijezde - sa studijama HI regija putem 21-cm emisijskog voda, ključnog alata za mapiranje neutralnog vodika. Pokušavali su ustanoviti je li trenutni krug masivnog stvaranja zvijezda u patuljastoj galaksiji prvi, ili su joj prethodili drugi događaji, zagađujući vodikove oblake metalima.

Njihova radijska promatranja s radio-teleskopom Westerbork Synthesis pronašla su ukupnu HI masu od oko 70 milijuna solarnih masa u šest zasebnih regija, od kojih su tri ostale neriješene. Nisu uspjeli povezati pojedine komponente na karte HII regija, ali radijalnim mjerenjima brzina oblaka utvrđeno je da je ukupna masa galaksije mnogo veća za oko faktor deset, što sugerira da je prisutna neka druga vrsta mase.

Postojale su dvije mogućnosti: ili je neviđena masa bila molekularni vodik - koji ne bi emitirao 21 cm zračenja - ili je bila nejasna populacija starijih zvijezda. Hipoteza o molekularnom vodiku nije se mogla isključiti, ali ideja o još uvijek neviđenoj grupi zvijezda bila je atraktivna. Kao prvo, HI oblaci su izgledali prilično slično kao prvobitni oblaci potrebni za formiranje galaksija. Da su ove regije HI zapravo bile prvobitne, onda bi ih ove sumorne zvijezde mogle poduprijeti protiv gravitacijskog kolapsa milijarde godina.

Slika 5, Lequex i Viallefond 1980. Karta HI regija u galaksiji pokazuje da su tri (s oznakom 1, 2 i 5) dovoljno velike da ih je moguće riješiti, dok su ostale točkasti izvori. Regije 1, 4 i 5 su najmasovnije.

Slika se počela pojavljivati. Usporedba emisije Lymanova kontinuuma s daleko-ultraljubičastom emisijom ukazala je na to da je eksplozija zvijezda trebala započeti prije otprilike nekoliko milijuna godina, vjerojatno zbog sudara nekoliko vodikovih oblaka. Prije toga bilo bi formiranja prigušenih crvenih zvijezda u manjem opsegu, ali nedovoljno da bi obogatili galaksiju više nego što je predloženo nisko obilježeno obilje kisika. Stoga bi zvijezde koje nastaju u I Zwickyju 18 trebale biti vrlo blizu zvijezdama Stanovništva III.

S kakvim se zvijezdama imamo posla?

Slika 1, Kehrig i sur. 2015. Kompozitna slika (vodik alfa + UV + r-zavoj) svjetlosnih čvorova u patuljastoj galaksiji koja pokazuje intenzivnu emisiju helija.

Ideja se zahuktala u narednih nekoliko desetljeća, a astronomi su postali zainteresirani za određivanje prirode tih mladih zvijezda. Jedna skupina (Kehrig i sur. 2015) bila je posebno zainteresirana za određivanje vrste masivnih zvijezda koje bi najbolje mogle objasniti liniju He II λ4686, pokazatelja tvrdog zračenja i ionizirajućih materijala vrućih zvijezda u HII regijama koje stvaraju zvijezde. Bilo je nekoliko mogućih krivca:

  • Wolf-Rayet zvijezde ranog tipa, za koje se smatra da su odgovorne za velik dio emisije He II λ4686 u galaksijama koje oblikuju zvijezdu.
  • Udarci i binarni snimci rendgenskih zraka, koji su također pronađeni u ekstragalaktičkim HII regijama.
  • Izuzetno siromašne O zvijezdama, ili - korak dalje - potpuno O-zvijezde bez metala, slično zvijezdama Stanovništva III.

Grupa je brzo isključila zvijezde Wolf-Rayet. U spektrima su se jasno našli ključni znakovi Wolf-Rayet zvijezda siromašnih metalom, ali zaključeni broj temeljen na liniji C IV λ1550 bio je premali da bi mogao računati na svu emisiju helija. Slično tome, odbačena je binarna mogućnost x-zraka jer je pronađeni jedini binarni snimak x-zraka previše zatamnjen sa faktorom 100.

Slika 2, Kehrig i sur. 2015. Područje visoke emisije Hα i He II λ4686 pokazuje malo preklapanje s [OI] λ6300 emisijom i niskim [S II] kontrastom, što isključuje mogućnost rendgenskih udara.

Međutim, skupina od možda desetak ili više zvijezda bez metala, stotina ili više sunčevih masa, mogla bi uspješno reproducirati promatranu liniju He II λ4686. U blizini čvora na sjeverozapadnom rubu galaksije nalaze se džepovi plina bez metala i osigurali bi prikladno okruženje za formiranje tih zvijezda, mada postoje i vjerovatno kemijski obogaćene zvijezde. Neki modeli ekstremno velike mase (~ 300 solarnih masa) nude alternativu ovim zvijezdama bez metala, ali u svjetlu prethodnih opažanja, modeli bez metala ostaju primamljivi.

Za sada naši teleskopi ne mogu otkriti zvijezde Stanovništva III. Sve dok to ne urade, još uvijek možemo puno naučiti o ranom svemiru proučavanjem plavih kompaktnih patuljastih galaksija poput I Zwickyja 18. Analozi prvih zvijezda u svemiru koji imaju malo crveni pomak, dovoljno su blizu da ih danas možemo proučiti. Galaksija s najviše metala koja je siromašna metalima u dobrom je mjestu za početak.