Przełom w poszukiwaniu najstarszych gwiazd we wszechświecie

Naukowcy z Hong Kongu opracowali nowatorską metodę wykrywania najstarszych gwiazd powstałych niedługo po Wielkim Wybuchu, nazywanych gwiazdami populacji III. Może to być milowy krok dla astronomii w kierunku zrozumienia początków wszechświata.

Publikacja: 13.05.2024 13:48

Wybuchy supernowych gwiazd III populacji wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie, co umożliwiło roz

Wybuchy supernowych gwiazd III populacji wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie, co umożliwiło rozpoczęcie formowania się mniej masywnych gwiazd populacji II.

Foto: NASA

Zacznijmy od pytania: jak stary jest wszechświat? Wbrew pozorom to pytanie nieustannie dzieli naukowców. W 2001 roku misja Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) wykonała pomiary temperatury promieniowania reliktowego wraz z jej rozkładem kątowym. Obserwacje wskazywały, że wszechświat ma 13,75 mld lat. Ale w 2019 r. duże zamieszanie spowodowały opublikowane w czasopiśmie „Science" szacunki sugerujące, że wszechświat ma „jedynie" 11,2 miliarda lat. To oznaczałoby, że pewne procesy w rozwoju wszechświata nie mogłyby się wydarzyć ze względu na zwyczajny brak czasu. Na przykład dyskusyjne byłoby powstanie gwiazd Pop III.

Jednak w lipcu 2020 roku przewidywania modelu standardowego potwierdzili amerykańscy naukowcy, którzy wykorzystali do badania najodleglejszych źródeł światła wielki teleskop naziemny Atacama Cosmology Telescope (ACT) w Chile, należący do National Science Foundation. Badacze wyliczyli, że wszechświat ma dokładnie 13,77 miliardów lat. Wyliczenia zgadzały się z pomiarami wykonanymi w 2010 roku przez należący do Europejskiej Agencji Kosmicznej teleskop kosmiczny Plancka. Potwierdzeniem tych wyliczeń mogłaby być obserwacja gwiazd pierwszej generacji, znanych jako gwiazdy populacji III lub Pop III.

Gwiazdy Pop III powstały po pierwotnej nukleosyntezie, czyli najwcześniejszym procesie powstawania jąder atomów w wyniku łączenia protonów i neutronów. 

Podróż do początków wszechświata

Uważa się, że gwiazdy takie powstały po pierwotnej nukleosyntezie, czyli najwcześniejszym procesie powstawania jąder atomów w wyniku łączenia protonów i neutronów. Proces taki postulowała opublikowana w 1948 roku na łamach „Phisical Review” teoria Alphera-Bethego-Gamowa (zwana również teorią Alfa-Beta-Gamma). Zgodnie z tą teorią przypuszcza się, że hipotetyczne gwiazdy Pop III, których nikt dotychczas nie odkrył, mogły być zbudowane wyłącznie z wodoru i helu z niewielką domieszką litu. Powstały zanim uformowały się galaktyki. Ale dlaczego wzbudzają takie zainteresowanie astrofizyków?

Czytaj więcej

Wszechświat bez ciemnej materii? Nowa hipoteza wzbudza kontrowersje

Z dwóch zasadniczych powodów. Po pierwsze uważa się, że powstały w tzw. halo ciemniej materii w okresie niemowlęcym wszechświata. Po drugie wybuchy supernowych gwiazd III populacji wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie, co umożliwiło rozpoczęcie formowania się  mniej masywnych gwiazd populacji II. Obserwacja gwiazd III populacji - a w zasadzie ich obrazów z przeszłości, które przez miliardy lat wędrował do naszych obserwatoriów – znacznie poszerzyłaby naszą wiedzę o początkowych procesach tworzenia się materii we wszechświecie i ewolucji gwiazd kolejnych dwóch generacji.  Właściwości gwiazd Pop III bardzo różnią się od gwiazd takich jak nasze Słońce. Były nie tylko niezwykle gorące, miały gigantyczne rozmiary i masę, ale żyły bardzo krótko. Gwiazdy Pop III były przede wszystkim pierwszymi fabrykami, które syntetyzowały większość pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Zatem zawdzięczamy im swoje istnienie.

Najstarsze gwiazdy już się nie ukryją

Nadal są to jednak obiekty hipotetyczne. Jednak nadzieję na empiryczne dowiedzenie ich istnienia dają badania zespołu naukowców pod kierownictwem profesor Jane Lixin DAI z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Hong Kongu (HKU). Opracowali oni nowatorską metodę wykrywania gwiazd populacji III, którą opisali w artykule na łamach magazynu „The Astrophysical Journal Letters”.

Gwiazdy Pop III powstały w tzw. halo ciemniej materii w okresie niemowlęcym wszechświata. Wybuchy supernowych gwiazd III populacji wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie, co umożliwiło rozpoczęcie formowania się mniej masywnych gwiazd populacji II. 

Profesor Jane Lixin uważa, że gwiazda Pop III może zostać rozerwana na kawałki przez siłę pływową, jeśli wędruje w pobliżu masywnej czarnej dziury. W przypadku takiego zakłócenia pływowego (TDE) czarna dziura żerując na gwiezdnych pozostałościach wytwarza bardzo jasne rozbłyski. Naukowcy zbadali ten złożony proces fizyczny i wykazali, że te rozbłyski moglibyśmy współcześnie obserwować. A więc to właśnie te unikalne sygnatury rozbłysków TDE można wykorzystać do zidentyfikowania istnienia gwiazd Pop III i zbadania ich właściwości.

„W miarę jak energetyczne fotony przemieszczają się z bardzo odległych krańców wszechświata, skala czasowa rozbłysku zostaje dodatkowo rozciągnięta ze względu na ekspansję Wszechświata. Rozbłyski TDE gwiazd pop III będą zatem widoczne przez bardzo długi okres czasu, co odróżnia je od TDE gwiazd typu słonecznego w pobliskim Wszechświecie” – tłumaczy profesor Jane Dai.

Czytaj więcej

Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata

 „Co ciekawe, rozciągnięte są nie tylko ramy czasowe tych rozbłysków, ale także ich długość fali. Światło optyczne i ultrafioletowe emitowane przez TDE zostanie przeniesione na emisję w podczerwieni po dotarciu do Ziemi” - dodaje współautor artykułu dr Rudrani Kar Chowdhury.

Wiemy już czego szukać

Odkrycie naukowców z Hong Kongu jest ekscytujące dla świata nauki z jeszcze innego powodu. Dwie flagowe misje NASA, niedawno wystrzelony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i planowany do wyniesienia na orbitę L2 w 2027 roku Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace (nazywany w czasopismach anglojęzycznych po prostu jako „Roman”), mają możliwość obserwacji takich emisji w podczerwieni z dużych odległości. Profesor Priya Natarajan z Wydziału Astronomii i Fizyki Uniwersytetu Yale podkreśla unikalne możliwości Teleskopu Rzymskiego. Będzie mógł on bowiem jednocześnie obserwować duży obszaru nieba i zaglądać w głąb wczesnego Wszechświata. Będzie miał zatem zdolność wynajdywania rozbłysków Pop III TDE, co z kolei będzie można uznać za pośrednie, poszlakowe odkrycie istnienia gwiazd Pop III. Dr Janet Chang, doktorantka na Wydziale Fizyki HKU i współautorka artykułu, uważa nawet, że Teleskop Rzymski będzie wykrywał nawet kilkadziesiąt takich zdarzeń rocznie, jeśli zastosuje się odpowiednią strategię obserwacji.

Zacznijmy od pytania: jak stary jest wszechświat? Wbrew pozorom to pytanie nieustannie dzieli naukowców. W 2001 roku misja Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) wykonała pomiary temperatury promieniowania reliktowego wraz z jej rozkładem kątowym. Obserwacje wskazywały, że wszechświat ma 13,75 mld lat. Ale w 2019 r. duże zamieszanie spowodowały opublikowane w czasopiśmie „Science" szacunki sugerujące, że wszechświat ma „jedynie" 11,2 miliarda lat. To oznaczałoby, że pewne procesy w rozwoju wszechświata nie mogłyby się wydarzyć ze względu na zwyczajny brak czasu. Na przykład dyskusyjne byłoby powstanie gwiazd Pop III.

Pozostało 91% artykułu
2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Subskrybuj
Kosmos
Wszechświat bez ciemnej materii? Nowa hipoteza wzbudza kontrowersje
Kosmos
NASA szuka sposobu na sprowadzanie próbek z Marsa. Tanio i szybko
Kosmos
Odszedł Peter Higgs, odkrywca boskiej cząstki
Kosmos
Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata
Kosmos
Księżyc będzie miał własną strefę czasową? Biały Dom nakazał ustalenie standardu