8 Minutės
Nauji tyrimai rodo, kad keli milžiniški ir trumpai gyvenę objektai — kiekvienas turėjęs masę tūkstančius kartų didesnę už Saulę — paliko cheminius pėdsakus visatos seniausiuose žvaigždžių spiečiuose ir padėjo formuoti pirmąsias galaktikas. Šie ekstremaliai masyvūs dariniai (EMS) galėjo reikšmingai paveikti cheminę evoliuciją ankstyvosios Visatos, pakeisdami vandenilio ir sunkiųjų elementų paskirstymą ir prisidėdami prie to, ką stebime šiandieniniuose globuliniuose spiečiuose.
Kairėje: menininko vizija apie globulinį spiečių netrukus po jo susidarymo, kuriame yra ekstremaliai masyvios žvaigždės su galingais žvaigždžių vėjais, praturtinančiais spiečių elementais, susidariusiais itin aukštose temperatūrose. Dešinėje: senovinis globulinis spiečius, kaip mes jį stebime šiandien — išgyvenusios mažos masės žvaigždės saugo žymes po tų ekstremaliai masyvių žvaigždžių vėjų, kurios vėliau susitraukė į tarpinės masės juodąsias skyles (IMBH). Šaltinis: Fabian Bodensteiner; fonas: Paukščių Tako globulinio spiečiaus Omega Centauri vaizdas, užfiksuotas WFI kamera ESO La Silla observatorijoje.
Seniausi žvaigždžių spiečiai kaip cheminės laiko kapsulės
Globuliniai spiečiai yra tankūs, beveik sferiški žvaigždžių junginiai, besisukantys aplink galaktikas, įskaitant ir mūsų Paukščių Taką. Tokie spiečiai dažniausiai talpina nuo kelių šimtų tūkstančių iki milijonų žvaigždžių ir daug jų susiformavo prieš daugiau nei 10 milijardų metų — netrukus po Didžiojo sprogimo. Todėl globuliniai spiečiai veikia kaip fosiliniai pėdsakai, užfiksuojantys ankstyvą žvaigždžių formavimąsi, cheminę evoliuciją ir galaktikų sąveikas pirmosiomis Visatos epochomis.
Nors iš pirmo žvilgsnio tokios sistemos gali atrodyti vienalytės, astronomai pastebi sudėtingas chemijos įvairovės ženklus. Vietoj vienalytės cheminės sudėties daugelis spiečių demonstruoja kelias žvaigždžių populiacijas, turinčias netikėtus helio, azoto, natrio, deguonies, magnio ir aliuminio lygius. Šios pasikartojančios anomalijos kelia klausimų tiek apie pačių žvaigždžių branduolinę sintezę (nukleosintezę), tiek apie procesus, pernešančius apdorotus elementus į vėlesnes žvaigždžių kartas tame pačiame kompaktiškame spiečiuje.
Kelios hipotezės buvo siūlomos dešimtmečius: nuo masyvių žvaigždžių vėjų ir rotuojančių masyvių žvaigždžių iki žemo greičio supernovų liekanų ar sinkretiško gazo įmaišymo. Tačiau nė viena iš idėjų iki šiol negalėjo patikimai paaiškinti visų stebimų cheminių žymenų tvarkingumo ir pasikartojimo įvairiuose globuliniuose spiečiuose. Naujas EMS modelis siūlo vientisą mechanizmą, jungianti dinaminius susikaupimo procesus ir branduolinių reakcijų produktų platinimą spiečiuje.
Kaip ekstremaliai masyvios žvaigždės gali išspręsti paslaptį
Tarptautinė grupė, vadovaujama ICREA tyrėjo Mark Gieles iš Barselonos Kosmoso mokslų instituto (Institute of Cosmos Sciences, University of Barcelona), pasiūlė modelį, siejantį šias chemines anomalijas su ekstremaliai masyviomis žvaigždėmis (EMS) — žvaigždėmis, kurių masė apytiksliai siekia nuo 1 000 iki 10 000 Saulės masių. Ši studija, paskelbta žurnale Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, pritaiko „inercinio pritekėjimo“ (inertial-inflow) žvaigždžių formavimosi modelį prie tankių ir turbulentiškų ankstyvosios Visatos sąlygų.
Tokiomis ekstremaliomis sąlygomis dujų srautai ir turbulencija greitai sutelkia masę, leidžiant susidaryti keliems EMS didžiausiuose protospiečiuose. Šios milžiniškos žvaigždės dega vandenilį labai aukštose centrinėse temperatūrose, generuodamos branduolinių reakcijų produktus, o paskui stumia juos galingais žvaigždžių vėjais. Kai šie vėjai susimaišo su aplinkiniu, anksčiau nepraskiestu (pristine) dujiniu debesis, jie sėja kitą žvaigždžių kartą specifiniais cheminiais žymenimis.
Modelis atkreipia dėmesį, kad nereikia daugybės EMS: pakanka kelių tokių objektų didžiuosiuose protospiečiuose, kad visa sistema gautų pastebimą ir ilgalaikį cheminį pėdsaką. Tai natūraliai paaiškina, kodėl žemesnės masės žvaigždės, formavusios vėliau, išlaiko apdorotų elementų įrašus — tie elementai buvo įvesti į spiečių ankstyvose formavimo stadijose ir vėliau užfiksuoti mažesnės masės žvaigždėse, kurias mes stebime dabar.
Be to, EMS gaminami cheminiai produktai atitinka toms anomalijoms reikalingą elementų derinį: padidėjusį helio ir azoto kiekį kartu su specifiniais natrio, magnio ir aliuminio pokyčiais. Tai sutampa su branduolinės sintezės scenarijais, vykstančiais esant labai aukštoms branduolio temperatūroms EMS viduje, todėl idėja yra tiek fiziškai pagrįsta, tiek stebimų duomenų kontekstinė.
Greiti procesai, švarus dujinis fonas: laikas yra svarbus
Viena iš modelio kertinių savybių — greitis. EMS sukelta praturtinimo fazė vyksta per maždaug vieną–du milijonus metų — tai labai trumpas laiko tarpas, palyginti su masyvios žvaigždės gyvenimo trukme iki supernovos sprogimo. Kadangi žvaigždžių vėjai ir cheminis maišymasis įvyksta prieš pirmąsias supernovas, praturtintos dujos lieka laisvos nuo sunkiųjų elementų taršos, kuri kitaip užgožtų ir „išplautų“ specifinius abudancijos modelius.
Trumpas laiko langas reiškia, kad chemija gali būti įrašyta į vėlesnes žvaigždžių kartas be stipraus supernovų metalų įsikišimo. Tai svarbu, nes supernovos paprastai išmeta didelius kiekius sunkiųjų elementų, kurie sumaišytų ir sugadintų subtilius EMS paliktus cheminius „parašus“. Inertial-inflow mechanizmas suderina dinaminius masės srautus ir laiko grafiką taip, kad EMS vėjai veiktų pirmiau ir leistų susiformuoti antrajai kartai žvaigždžių su išsaugotais anomaliniais santykiais.
Universiteto Ženevoje dirbančios tyrėjos Laura Ramírez Galeano ir Corinne Charbonnel pažymi, kad branduolinės reakcijos EMS šerdyse jau anksčiau buvo identifikuotos kaip gebančios sukurti reikalingą elementų mišinį. „Dabar turime modelį, kuris pateikia natūralų kelio žemėlapį tokioms žvaigždėms formuotis dideliuose spiečiuose“, — sako jos, pabrėždamos inercinio pritekėjimo mechanizmo plausibilumą kaip galimą formavimo kelią. Tai susieja teorinę branduolinę fizikos pusę su globulinių spiečių dinamika bei galimomis stebimomis pasekmėmis.
Iš žvaigždžių spiečių į galaktikas ir juodąsias skyles
Modelio reikšmės nusitęsia už atskirų spiečių ribų. EMS turtingi spiečiai galėjo būti dažni ankstyvųjų galaktikų statybiniai blokai. James Webb kosminio teleskopo (JWST) stebėjimai atskleidė didelio raudono poslinkio galaktikas su netikėtai stipria azoto emisija — signalai, kurie gerai dera su cheminiu išmetimu, kurį galima tikėtis iš EMS turtingų sistemų.
Kaip teigia Paolo Padoan (Dartmouth College ir ICCUB-IEEC), „ekstremaliai masyvios žvaigždės galėjo suvaidinti lemiamą vaidmenį formuojant pirmąsias galaktikas“. Jų intensyvi šviesa ir cheminiai procesai suteikia natūralų paaiškinimą JWST atrandamoms azotu praturtintoms protogalaktikoms. Be to, EMS gali paveikti jonizacijos, radiacinės grįžtamosios sąveikos ir žvaigždžių spiečių dinaminių savybių raidą ankstyvuoju Visatos laikotarpiu.
Kai EMS išeikvoja kurą, žvaigždės tikriausiai nesprogs kaip įprastos supernovos. Daug modelių prognozuoja tiesioginį kolapsą į tarpinės masės juodąsias skyles (IMBH) — objektus, kurių masė prilygsta keliems šimtams iki kelių tūkstančių Saulės masių. Tokios IMBH yra patrauklūs gravitacinių bangų (GW) šaltiniai, kai jos susijungia, ir gali būti pirmtakai, sėjantys branduolių augimą supermasyviųjų juodųjų skylių (SMBH), pastebimų daugelyje šiuolaikinių galaktikų centrų.
Taip pat verta paminėti, kad IMBH buvimas globulinių spiečių centruose pakeičia spiečių dinamiką per ilgus laikotarpius: jie gali skatinti centro tankėjimą, žvaigždžių orbitų pertvarką ir netgi lemti žvaigždžių išmetimus iš spiečiaus. Tokie poveikiai palieka tolimesnius stebimus signalus, kurie būtų svarbūs ieškant IMBH įrodymų tiek optiniais, tiek gravitacinių bangų duomenimis.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Hipotezę, kad EMS paveikė ankstyvųjų galaktikų chemiją, bus galima tikrinti su naujos kartos observacinėmis priemonėmis. JWST spektroskopija gali identifikuoti specifinius emisijos ir absorbcijos linijų santykius, atitinkančius EMS sukurtus cheminius produktus, ypač azoto ir kitų lengvesnių elementų stiprumo anomalijas aukštuose raudono poslinkiuose.
Žemės stebėjimų kampanijos, orientuotos į senų globulinių spiečių žvaigždžių populiacijas, padės susieti artimų spiečių chemines žymes su modelio prognozėmis. Gravitacinių bangų detektoriai, tiek esami (LIGO/Virgo/KAGRA), tiek planuojami erdvės pagrindu (LISA), gali aptikti IMBH susijungimų signalus — tai būtų tiesioginis įrodymas, kad tam tikra dalis EMS paliko po savęs tarpines juodąsias skyles.
Be to, pažangios skaitmeninės simulacijos, geriau apimantys turbulentinį dujų pritekėjimą, žvaigždžių vėjus ir cheminį maišymą, yra būtinos, kad būtų tiksliau prognozuojami EMS poveikio mastai ir pasekmės. Daugialypės matricos modeliai, sujungiantys hidrodinamiką, branduolinę sintezę ir radiacijos pernešimą, padės sumažinti neatitikimus tarp teorijos ir stebėjimų ir pateikti kontekstualius, išbandomus numatymus apie globulinių spiečių cheminių anomlijų kilmę.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Ana Ribeiro, astrofizikė, specializuojanti ankstyvą žvaigždžių formavimąsi, komentuoja: „Šis modelis elegantiškai susieja dinamiką, nukleosintezę ir stebimus požymius. Jei EMS buvo įprasti pirmuosiuose dideliuose spiečiuose, mes turėtume matyti nuoseklius cheminius modelius daugelyje senų spiečių ir tarpinių juodųjų skylių populiaciją, tūnančią jų centruose. Tai įdomus metas — JWST ir gravitacinių bangų astronomija gali pagaliau leisti mums išbandyti šias idėjas.“
Ar EMS iš tikrųjų reguliavo chemiją ankstyvųjų galaktikų mokomajame žurnale, ar tik paliko reikšmingą pastabą kosminėje istorijoje, vis dėlto naujas modelis siūlo visumą jungiantį pagrindą. Jis sieja žvaigždžių formavimosi fiziką, detalią chemiją, išsaugotą senose žvaigždėse, ir juodųjų skylių kilmę — atverdama naujus stebėjimų ir teorijų kelius, kai tyrinėjame pirmuosius Visatos milijardus metų.
Praktiniu požiūriu, ši samprata padidina mūsų supratimą apie tai, kaip cheminių elementų gamyba ir paskirstymas ankstyvojoje Visatoje galėjo paveikti vėlesnę galaktikų raidą, žvaigždžių populiacijų struktūrą ir galutinius galaktinių branduolių savybes. Dėl to EMS tyrimai yra svarbūs ne tik pačiai žvaigždžių fizikai, bet ir platesnei kosmologinei modeliui: nuo jonizacijos istorijos iki galaktikų evoliucijos ir juodųjų skylių demografijos.
Galiausiai, šioje srityje susikerta keli mokslo keliai: spektrinė chemija, žvaigždžių dinamikos modeliavimas, didelių duomenų analizė ir gravitacinių bangų astronomija. Kiekvienas iš šių komponentų gali suteikti papildomą įrodymą EMS vaidmeniui, o jų sintezė atneš tvirtesnį supratimą, kaip formavosi pirmosios galaktikos ir kokią vietą jose užėmė ekstremaliai masyvios žvaigždės.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą