8 Minutės
Astronomai identifikavo tolimą galaktiką, kurios šviesa primena laiko kapsulę: beveik be sunkiųjų elementų, ryškūs vandenilio ir helio linijų bruožai ir ypač jauna žvaigždžių populiacija, kuri atrodo beveik pirminė. Jei tai patvirtins, ši be metalų sistema galėtų talpinti ilgai ieškotas III populiacijos žvaigždes (Pop III) — Visatos pirmąsias žvaigždes — kurios, regis, atsirado žymiai vėliau nei manyta.
Netikėtas kandidatas: CR3 ir paieškos, skirtos Pop III žvaigždėms
Populiacijos III žvaigždės yra teorinė pirmoji žvaigždžių karta, susiformavusi iš pirminio vandenilio ir helio prieš atsirandant sunkesniems elementams, kuriuos astronomai dažnai vadina metalais. Kadangi deguonis, anglis, geležis ir kiti elementai sintetinami žvaigždžių viduje ir išskiriami per supernovas, ankstyviausios žvaigždės turėtų būti praktiškai be metalų. Jas aptikti buvo vienas pagrindinių stebimųjų kosmologijos tikslų kelis dešimtmečius.
Dėl šios priežasties pastarasis galaktikos, pavadintos MPG-CR3 arba sutrumpintai CR3, identifikavimas sulaukė didelio susidomėjimo. Atradimą pristatė doktorantė Sijia Cai iš Tsinghua universiteto ir bendradarbiai, remdamiesi jungtiniais James Webb kosminio teleskopo (JWST), Very Large Telescope (VLT) ir Subaru teleskopo duomenimis. CR3 spektras išsiskiria savo epochai — jame ryškėja švarios vandenilio ir helio emisijos linijos, o beveik visiškai trūksta metalo linijų, pavyzdžiui, deguonies.
Vertinama, kad CR3 susiformavo maždaug prieš 11 milijardų metų, tačiau spektru fiksuota žvaigždžių populiacija atrodo itin jauna — tik kelis milijonus metų. Šis amžius ir labai žemas metališkumas (viršutinė riba maždaug 0,7 procento Saulės metališkumo) daro sistemą patrauklia kandidatu būti Pop III žvaigždžių namais arba bent jau vieta, kurioje egzistuoja itin mažo metališkumo, beveik pirminės kilmės žvaigždės.
Ką atskleidžia spektrai ir ko trūksta
Spektroskopija yra pagrindinis įrankis, leidžiantis identifikuoti cheminius pirštų atspaudus per kosminį laiką. CR3 atveju duomenys rodo stiprias vandenilio emisijos linijas ir helio požymius, kurie atitinka šiltų, masyvių, žemo metališkumo žvaigždžių modelius. Vis dėlto viena svarbi tuo laikotarpiu siūloma indikacija, laikoma itin reikšmingu Pop III signalas — helio II (He II) emisijos linija — VLT spektre nėra aiškiai užfiksuota.
CR3 galaktikos spektriniai duomenys
Autoriai siūlo dvi pagrįstas priežastis, kodėl He II linija gali nebūti aptikta. Pirma, stipri OH emisijos linija iš Žemės atmosferos arba kitas kontaminantas toje pačioje spektro srityje gali užmaskuoti arba neutralizuoti He II požymį. Antra, He II emisija gali greitai silpti: jos amplitudė smarkiai sumažėja po kelių milijonų metų nuo žvaigždžių formavimosi pradžios, todėl svarbus stebėjimo laikas. Jei CR3 žvaigždžių populiacija yra tik kelių milijonų metų amžiaus ir jau pradeda nykti, He II linija stebėjimo metu gali būti daug silpnesnė arba visiškai išnykusi.
Kaip be metalų sistema galėjo egzistuoti taip vėlai?
Įprasta nuomonė datuoja pirmųjų žvaigždžių formavimąsi — Kosminę Aušrą ir Reionizacijos epochą — per pirmuosius milijardus metų po Didžiojo sprogimo. Kai Visatai tapo kelių milijardų metų amžiaus, žvaigždžių kartos ir supernovos turėjo plačiai išbarstyti metalus, užteršdamos pirmines dujas. Tad kyla klausimas, kaip CR3 galėjo išvengti tokio prisotinimo metalais.
Tyrėjų komanda siūlo paprastą geometrinį paaiškinimą: CR3 galėjo susiformuoti menkai užpildytoje Visatos srityje, kosminiame užutėkyje, kur netoli nėra daug galaktikų. Tokiose retai užpildytose ertmėse anksčiau atsiradęs metalų prisotinimas iš kitų žvaigždynų gali užtrukti ilgiau. Vietoje susikaupusi dujų debesis, susispaudžiantis nepriklausomai, gali todėl formuoti žvaigždes, kurios išlieka beveik pirminės sudėties, praktiškai sukuriančios atidėtą, izoliuotą pirmos kartos žvaigždžių analogą net ir tada, kai platesnė Visata yra vyresnė ir cheminiu požiūriu labiau išsivysčiusi.
Įsivaizduokite vienišą salą plečiančioje galaktikų vandenyno platybėje. Kitose sistemose susiformavę metalai keliauja ir maišosi lėtai; jei dujų debesis susispaudžia izoliuotai, jis gali išlaikyti pirminę cheminę sudėtį ir suformuoti žvaigždes, kurios imituoja Visatos originalią žvaigždžių kartą. Toks scenarijus padarytų CR3 retu, bet moksliškai labai vertingu laboratoriniu objektu.
Pasekmės: kodėl patvirtinta Pop III galaktika būtų svarbi
- Tiesioginis pirminių branduolinių sintezės kelių tyrimas žvaigždėse taptų įmanomas; Pop III spektrai apribotų žvaigždžių mases, temperatūras ir gyvenimo trukmę, suteikdami reikšmingų duomenų apie ankstyvąją žvaigždžių fizikos evoliuciją.
- Pirmųjų žvaigždžių radimas vėlesniame laike nei tikėtasi perrašytų modelius, aprašiančius kosminį metalo išsisklaidymą ir struktūrų formavimąsi, verčiant peržiūrėti tarpusavio metalų transportavimo, vėjo ir srautų poveikio parametrus.
- Empirinė Pop III populiacija suteiktų naujų įžvalgų apie reionizacijos istoriją ir ankstyvųjų žvaigždžių vaidmenį jonizuojant tarpgalaktinę terpę, o tai susiję su jonizuojančių fotonų produkcija ir išplitimu visatoje.
CR3 matomas dulkių trūkumas ir palyginti nedidelis žvaigždžių kiekis (palyginus su supermasyviomis žvaigždėmis, dažnomis Kosminės Vidurdienio laikotarpiu) palengvina sistemos modeliavimą ir leidžia atskirti šviesą nuo vėlesnių, metalais praturtintų populiacijų. Tačiau aiškaus He II signalo nebuvimas verčia būti atsargiems: prieš skelbiant neeilinį atradimą reikalingi papildomi stebėjimai ir patikros.
Tolesni stebėjimai ir ateities perspektyvos
Patvirtinti CR3 kaip Pop III galaktiką reikės gilumo, didesnės skiriamosios gebos spektrų ir papildomų stebėjimų įvairiuose bangų ilgiuose. Planuojami ar siūlomi veiksmai apima:
- Daugiau JWST spektroskopinių stebėjimų, tiesiogiai orientuotų į He II ir kitas aukštos jonizacijos linijas, pasirinkus laikus, kai dangaus kontaminacija yra mažiausia ir JWST instrumentai gali pasiekti maksimalų jautrumą.
- Žemės paviršiaus teleskopų, tokių kaip VLT ir Keck, spektrai su specialiai pritaikytomis stebėjimo konfigūracijomis, kurios sumažintų atmosferinių OH linijų interferenciją ir pagerintų foninės emisijos šalinimą.
- Vaizdavimo ir spektroskopinės kartografijos kampanijos, skirtos aptikti menkas metalo linijas ir patikrinti erdvinę izoliaciją — ar CR3 tikrai randasi menkai užpildytoje regione, ar aplink ją yra mažų, silpnų šaltinių, galinčių prisidėti prie užterštumo.
Jei papildomi duomenys atkurtų He II liniją arba patvirtintų itin žemą metališkumą kitu būdu, CR3 taptų prioritetiniu taikiniu modeliams ir simuliacijoms, nagrinėjantiems ankstyvą žvaigždžių formavimąsi. Tai taip pat paskatintų paieškas daugiau vėlyvųjų pirminių kišenių giliuose aptikimo laukuose, keičiant stebėtojų strategijas ir atrankos kriterijus didžiųjų apžvalgų projektuose.
Eksperto nuomonė
Dr. Elena Márquez, stebimasis kosmologas, nedalyvavusi tyrime, pažymi, kad atradimai panašūs į CR3 verčia peržiūrėti prielaidas apie tai, kaip greitai Visata tapo cheminiu požiūriu turtinga. Jei izoliuota sritis gali išlikti pirminė net kelis milijardus metų, tai pakeistų ribines sąlygas, taikomas mūsų simuliacijoms. Kitas esminis žingsnis yra griežtesni, mažiau kontaminuoti spektriniai duomenys — jie pasakys, ar turime reikalą su tikromis Pop III žvaigždėmis, ar su labai neįprasta, mažai metalų turinčia sistema.
Nesvarbu, ar CR3 taps pirmąja patvirtinta Pop III galaktika, ar išliks kaip išskirtinis uždelsto prisotinimo pavyzdys, ši sistema akcentuoja jungtinių įrenginių, tokių kaip JWST, VLT ir Subaru, galią bei rodo, kiek daug galima atrasti žvelgiant giliau ir ieškant netikėtų kandidatų. Kartu atradimas primena apie būtinybę integruoti stebėjimus, teorinius modelius ir kosmologines simuliacijas, kad būtų galima patikimai interpretuoti retus, bet labai svarbius signalus ankstyvoje Visatos istorijoje.
Techninė ir mokslinė reikšmė išplaukia į kelias temas: spektroskopinių dominančių linijų interpretacija, metališkumo matavimo ribos, žvaigždžių evoliucijos modeliai be metalų, ir kosminės aplinkos įtaka vietiniam cheminiam neišsivystymui. Visa tai rodo, kad sistemingas požiūris, apimantis tiek aukštos kokybės duomenis, tiek pažangias analizės metodikas, išlieka būtinas norint patikimai atskirti senius signalus nuo artefaktų, kuriuos gali sukelti instrumentiniai ar atmosferiniai efektai.
Praktiniai žingsniai į priekį apima instrumentų kalibravimo gerinimą, naujų stebėjimo kampanijų planavimą, laboratorinių šaltinių duomenų naudojimą spektrų modeliavimui ir tarptautinį bendradarbiavimą, kad būtų galima paskirstyti brangias stebėjimo galimybes tarp skirtingų observatorijų. Taip pat svarbu plėsti teorinius modelius, apimančius plataus spektro galimus šaltinius He II emisijai, įskaitant itin masyvių žvaigždžių, X spindulių binarinių sistemų ir aktyvių branduolių ribas, kad būtų galima objektyviai įvertinti alternatyvias hipotezes, kurios galėtų paaiškinti CR3 spektrą be prielaidos apie visiškai pirminį metalo nebuvimą.
Galiausiai, atradimas atveria platesnį klausimų ratą: kiek dažnai gali susiformuoti tokios pirminės kišenės kosmose, kaip jos pasiskirsto pagal masę ir erdvę, kiek laiko jos gali išlikti nepakitusios ir kokią reikšmę jos turi tolimesnei struktūrų ir galaktikų evoliucijai. Atsakymai į šiuos klausimus gali pakeisti mūsų supratimą apie ankstyvąją Visatą ir apie tai, kaip susiformavo pirmosios šviesos šaltiniai.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą