8 Minutės
Švarūs reliktai: ką astronomai vadina „mažametaliu“
Visata prasidėjo su gana paprasta cheminė palete: vandenilis ir helis susidarė Didžiojo sprogimo metu per branduolinę sintezę, kartu su menkais ličio ir kelių lengvųjų izotopų pėdsakais. Visi sunkesni elementai — anglis, deguonis, geležis ir toliau — susidarė vėliau žvaigždėse arba per jų sprogstamas mirties įvykius. Astronomų kalboje bet koks elementas, sunkesnis už helį, dažnai vadinamas „metalu“. Todėl žvaigždės metališkumas (šių elementų gausa, palyginti su vandeniliu) suteikia tiesioginę užuominą apie jos kilmę: mažesnis metališkumas paprastai reiškia, kad žvaigždė susiformavo ankstyvesniu kosminio laiko tarpsniu.
Metališkumui nustatyti naudojama spektroskopija: žvaigždės šviesa disperguojama į bangos ilgių spektrą, o absorbcijos linijos atskleidžia skirtingų elementų cheminius „pirštų atspaudus“. Labai žemi [Fe/H] (geležies santykis su vandeniliu) dydžiai ir charakteringi gausos santykiai, pvz., [C/Fe] arba [Mg/Fe], nurodo, kad žvaigždės chemija buvo užteršta vos vienos ar kelių ankstesnių supernovų, arba netgi tiesiogiai paveldėta iš pirmosios žvaigždžių kartos. Tos pirmosios kartos žvaigždės, vadinamos Population III, manoma, buvo masyvios ir trumpalaikės, sėjant pirmuosius sunkesnius elementus į tarpžvaigždinę terpę.
Svarbu pabrėžti, kad „mažametalis“ reiškia ne vien tik mažą bendrą metalų kiekį, bet ir specifinius elementų santykius, kurie leidžia rekonstruoti antrąsias ar net pirmąsias chemines įvykių grandines. Spektrinė analizė su aukšta dangaus raiška gali atskleisti ne tik geležį ar anglį, bet ir kitus alfa elementus (pvz., Mg, Si, Ca) bei sunkesnius elementus, kurių gausa leidžia modeliuoti supernovų tipą, sprogimo energiją ir masės pasiskirstymą pirmykštėje žvaigždžių populiacijoje.
Šioje kontekste svarbūs ir pastebėjimų metodai: pradinės atrankos dažnai atliekamos plačių lauko apžvalgų (pvz., SDSS), o kandidatų identifikavimui naudojamos mažesnės raiškos spektrinės savybės (kaip Ca II K linija). Sėkmingai atrinkti objektai vėliau yra stebimi su didelės raiškos ešeloninėmis spektrografijomis (keck, VLT ar kiti 8–10 m klasės teleskopai), kad būtų galima tiksliai nustatyti [Fe/H], [C/Fe] ir kitus santykius. Tokie procesai — nuo apžvalgų iki detalios spektroskopijos — yra kertiniai elementai žvaigždžių archeologijoje ir padeda atskleisti ankstyvosios Visatos metalų istoriją.
SDSS J0715-7334 atradimas ir kas jį daro išskirtiniu
Astronomai identifikavo raudonąjį milžiną SDSS J0715-7334 Didžiojo Magelano Debeso (LMC) haloe, kurio cheminis parašas yra tarp žemiausių kada nors išmatuotų metališkumų. Spektroskopinė analizė rodo, kad geležies ir anglies gausa yra tokia maža, jog daugelis tolimų, ekstremaliai mažametalių galaktikų vis tiek turi maždaug dešimt kartų daugiau metalų. Todėl SDSS J0715-7334 yra artimiausias analogas, kurį turime primordinei, beveik nepaliestai žvaigždei.
iliustracija, rodanti elementų dalis pirmosios kartos žvaigždėje ir Saulėje. Pirmosios kartos žvaigždės daugiausia sudarytos iš vandenilio ir helio, tuo tarpu Saulėje taip pat yra sunkesnių elementų, kuriuos astronomai vadina metalais. (NASA/ESA/CSA/STScI)
Išsamesni gausos santykiai rodo, kad SDSS J0715-7334 tikėtina priklauso antrajai žvaigždžių kartai, susiformavusiai iš dujų, praturtintų vienos masyvios protėvio supernovos. Observuotų santykių modeliavimas — ypač magnio, geležies ir kitų alfa elementų — leidžia manyti, kad praturtinusios supernovos protėvio masė buvo maždaug ~30 Saulės masių. Tai yra reikšminga išvada: teoriniai lūkesčiai dėl Population III žvaigždžių dažnai akcentuoja labai dideles mases (šimtus Saulės masių), todėl pažemesnės masės metalus gaminusi supernova duoda alternatyvų vaizdą apie ankstyvąją cheminę enrichinimą.
Tokie rezultatai turi kelias implikacijas. Pirma, jie rodo, kad pirmosios žvaigždžių kartos pėdsakai gali būti sudėtingesni nei vien tipiniai, labai masyvūs sprogimai. Antra, mažesnės masės protėviai su tam tikru sprogimo mechanizmu (pvz., dalinis medžiagos „fallback“ į susidariusį neutroninį branduolį) gali sukurti cheminius parašus, atitinkančius stebimus santykius. Trečia, lokalizuota praturtinimo istorija aplink vieną supernovą leidžia formuotis žvaigždėms su itin žemu [Fe/H], tačiau su specifiniais alpha elementų santykiais, kurie padeda identifikuoti tokį paveldą.
Logaritminis grafikas, kuriame mažametalių žvaigždžių anglies gausa nubrėžta prieš geležies gausą. SDSS J0715-7334 pastebima turinti žemiausią abiejų kiekių lygį. (Ji ir kt., arXiv)
Kitas ryškus bruožas — išskirtinai žemas anglies kiekis. Masyvios ankstyvos žvaigždės paprastai gamina reikšmingą kiekį anglies ir deguonies per CNO ciklą helio degimo metu, todėl daugelis mažametalių žvaigždžių demonstruoja didesnį [C/Fe]. Tačiau SDSS J0715-7334 žemas [C/Fe] reikšmė leidžia spėti, kad gimtasis dujų debesis patyrė efektyvų dulkių sukeltą aušinimą, kas leido ankstyvai formuotis mažesnės masės, ilgaamžėms žvaigždėms. Dulkių asistuojamas aušinimas yra viena iš kelių kelių — šalia C ir O fine-structure aušinimo — kurie gali sumažinti dujų temperatūrą ir leisti fragmentams susitraukti į ilgai gyvuojančias mažos masės žvaigždes.
Be to, cheminių elementų santykiai SDSS J0715-7334 gali atspindėti ir supernovos sprogimo geometriją bei masės išmetimo asimetrijas. Tam tikri modeliai numato, kad jei tik dalis branduolio medžiagos išmesta, o likusi dalis nukrinta atgal (fallback), tai gali sumažinti geležies kiekį, paliekant tam tikras α elementų charakteristikas. Tokių niuansų atskleidimas reikalauja aukštos kokybės spektroskopinių matavimų ir tikslių cheminės modeliavimo priemonių.
Įtaka ankstyvajam žvaigždžių formavimuisi ir paieškoms netoliese
Toks cheminis primityvumas haloe Didžiajame Magelano Debese yra svarbus dėl kelių priežasčių. Visų pirma, tai įrodo, kad pirmųjų keleto žvaigždžių kartų reliktai gali išlikti vietinėje Visatoje ir būti prieinami aukštos raiškos spektroskopijai. Antra, išvestas protėvio masės intervalas ir gausos modelis informuoja apie pradinės masės funkcijos (IMF) pobūdį ankstyvosioms žvaigždėms bei apie supernovų tipus, kurie praturtino vėlesnes kartas.
Kinematika pateikia papildomą galvosūkio detalių sluoksnį: SDSS J0715-7334 judėjimas LMC rodo, kad tai nėra laikinė Paukščių Tako atėjūnė, o greičiausiai ji susiformavo vietoje nykštukinės galaktikos haloe. Tai sustiprina argumentą, kad palydovinės galaktikos, tokios kaip LMC, yra perspektyvios paieškos teritorijos ieškant senesnių, mažametalių žvaigždžių. Nykštukinės galaktikos halo struktūros ir jų dinamika dažnai saugo archyvines chemines įrašus, kurie kitu atveju būtų prarasti didesnių galaktikų susijungimų eigoje.
Observatoriškai šis atradimas panaudoja plačių laukų apžvalgas ir tolimesnę aukštos raiškos spektroskopiją. Plačios apimties duomenys (pvz., SDSS, SkyMapper, Pristine survey) leidžia efektyviai atrinkti kandidatus pagal fotometrines ir žemoje raiškoje rodomas spektrines savybes. Vėlesnės stebėjimų kampanijos su didelės raiškos įrankiais (pvz., Keck/HIRES, VLT/UVES, Magellan) leidžia išmatuoti tikslius elementų santykius ir nustatyti objekto kilmę.
Ateities įrenginiai — įskaitant itin didelius teleskopus (ELT, TMT, GMT) bei erdvines observatorijas, tokias kaip James Webb Space Telescope (JWST) aukštųjų raudonųjų poslinkių tyrimams — suteiks dvikampį veiklos planą: surasti mažametales žvaigždes netoliese ir palyginti jų cheminius parašus su tolimų, mažametalių galaktikų spektrais ankstyvojoje Visatoje. Tokia sintezė tarp vietinės žvaigždžių archeologijos ir aukštaraidžių kosmologinių stebėjimų leis tiesiogiai susieti lokalius cheminius įrašus su pirmųjų galaktikų evoliucija.
Praktiniai paieškos metodai apima kelis žingsnius: pradinė fotometrinė atranka (naudojant platesnius filtrų rinkinius, jautrius anglies ir metalo indikacijoms), vidutinės raiškos spektroskopinė patvirtinimo fazė ir galiausiai aukštos raiškos, didelio signalo prie triukšmo santykio (S/N) spektroskopija. Kine-chemija (t. y. cheminės savybės kartu su orbitiniais ir greičio duomenimis) leidžia atskirti vietinius haloe gyventojus nuo ateivinių žvaigždžių, kurios galėjo patekti iš kitų struktūrų per susijungimus.
Eksperto įžvalga
"Vietinės fosilijos — tai tiesioginis cheminių įrašų šaltinis apie pirmąsias supernovas," teigia dr. Elena Márquez, astrofizikė, specializuojanti žvaigždžių archeologijoje. "SDSS J0715-7334 yra reta laboratorija: jos žemas anglies ir geležies santykis rodo, kad dulkių aušinimas ankstyvame etape vaidino reikšmingą rolę, o kai kurie pirmosios kartos likučiai kilo iš mažesnių, nei anksčiau manyta, protėvių. Sistemingos paieškos nykštukinių galaktikų haloe išplės šį mėginį ir leis tikslinti mūsų ankstyvosios cheminės evoliucijos modelius."
Ši ekspertų nuomonė pabrėžia, kad papildomi atradimai panašių objektų ne tik padidins statistinį mėginį, bet ir leis tirti variacijų spektrą tarp skirtingų palydovinių galaktikų. Analogiškai, palyginimai tarp skirtingų haloe gyventojų gali atskleisti, ar tokių beveik „pristine“ žvaigždžių pasiskirstymas yra atsitiktinis, ar susijęs su tam tikromis galaktikos masės bei evoliucijos savybėmis.
Išvados
SDSS J0715-7334 išsiskiria kaip viena iš cheminiu požiūriu švariausių žvaigždžių, kada nors identifikuotų, ir svarbiausia — ji randasi mūsų galaktinėje kaimynystėje Didžiajame Magelano Debese. Jos unikalus gausos parašas pagilina mūsų supratimą apie tai, kaip pirmieji sunkieji elementai buvo pagaminti ir kaip jie buvo sumaišyti į vėlesnes žvaigždžių kartas. Be to, atradimas pabrėžia palydovines galaktikas kaip vaisingą teritoriją ieškant daugiau beveik nepaliestų žvaigždžių.
Tolesnės spektroskopinės apžvalgos ir naujos kartos teleskopai suteiks galimybę astronomams sukurti išsamesnį tokių žvaigždžių fosilijų sąrašą ir tiesiogiai sujungti vietinius cheminius įrašus su aukštaraidžių Visatos stebėjimais. Tokia sintezė stiprins mūsų gebėjimą rekonstruoti pirmųjų žvaigždžių masių pasiskirstymą (IMF), supernovų charakteristikas ir ankstyvąją cheminę evoliuciją, leidžiant giliau suprasti Visatos kūrimosi laikotarpį.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą