Pirmosios žvaigždės Visatoje: jų paieška per senovinius radijo signalus

Ankstyviausių epochų tyrimai: kaip pėdsakai radijo bangomis atskleidžia pirmąsias žvaigždes

Daugelį dešimtmečių astronomai ieškojo tiesioginių įrodymų apie pirmąsias Visatos žvaigždes – senovinius šviesos šaltinius, nušvitusius kosmineje tamsoje praėjus šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Nors šios pirminės žvaigždės tiesiogiai dar nebuvo stebėtos, nepaprastai silpnas radijo signalas, siekiantis maždaug 100 milijonų metų po Visatos pradžios, gali suteikti itin svarbios informacijos apie jų egzistavimą ir sudėtį.

21 centimetro vandenilio signalas: langas į kosmoso istoriją

Viena iš perspektyviausių priemonių ankstyvajai Visatai tirti – kosmologinė 21 centimetro linija, tai specifinio dažnio radijo spinduliavimas, kurį skleidžia neutralūs vandenilio atomai. Šis vandenilis vyrauja didžiuliame, dar neapšviestame visatos plote po Didžiojo sprogimo. Subtilūs šio radijo signalo pokyčiai, kuriuos sukelia sąveikos su pačiomis pirmosiomis žvaigždėmis, gali atskleisti pagrindines žvaigždžių savybes – jų masę, gyvavimo trukmę bei formavimosi procesus.

Šiuolaikinės astrofizikos teorijos teigia, kad pirmosios žvaigždės, vadinamos III populiacijos žvaigždėmis, susiformavo iš gryno vandenilio ir helio debesų Visatoje, dar panirusioje tamsoje. Kaip pažymi daktarė Anastasija Fialkov iš Kembridžo universiteto Kavli kosmologijos instituto: „Tai unikali galimybė suprasti, kaip pirmoji Visatos šviesa prasiveržė iš tamsos. Pereiti nuo šaltos ir tamsios Visatos prie žvaigždžių šviesos – pasakojimas, kurį tik pradedame atskleisti.“

Kodėl pirmosios žvaigždės išvengė astronomų dėmesio?

Nors buvo atlikta daug paieškų, nė viena pačios pirmosios kartos žvaigždė dar nebuvo tiesiogiai stebėta. Pagrindinė priežastis – prognozuojamos šių pirminių žvaigždžių savybės. Daugelio astrofizikų nuomone, pačios pirmosios žvaigždės buvo nepaprastai masyvios – galbūt tūkstančius kartų masyvesnės už Saulę – ir degė labai ryškiai, bet itin trumpai, greitai išnykdamos. Dėl trumpos jų trukmės ir didelių atstumų bet kokie tiesioginiai įrodymai tikriausiai išnyko jau seniai.

Tačiau šios kosminės milžinės galėjo palikti atpažįstamus pėdsakus savo aplinkoje. Būtent žvaigždžių gimimas, gyvenimas ir žūtis pakeitė aplinkinį vandenilio dujų pasiskirstymą, o tai paveikė 21 cm signalą, įrašydama reikšmingą informaciją, kurią gali aptikti šiuolaikiniai ir būsimi radijo teleskopai.

Radijo teleskopai pasiruošę atradimams: SKA ir REACH

Kad šie kosminiai pėdsakai būtų atskleisti, astronomai naudoja moderniausias radijo teleskopų sistemas – tokias kaip Kvadratinio kilometro masyvas (SKA), statomas Australijoje ir Pietų Afrikoje, bei REACH eksperimentas, taip pat Pietų Afrikoje. Šios pažangios observatorijos pasižymi jautrumu, būtinu siekiant aptikti itin silpnus 21 centimetro signalus, sklindančius iš prieš milijardus metų susiformavusių žvaigždžių.

Neseniai astrofiziko Tomo Gessey-Jones vadovaujama tyrėjų komanda iš Kembridžo universiteto sumodeliavo, kaip pirmosios žvaigždės būtų paveikusios kosmologinį 21 cm signalą. Jų simuliacijos aiškiai parodė, jog šios žvaigždės paliko aptinkamus pėdsakus signale – tai galėtų tapti savotiškais „kosminiais pirštų atspaudais“, kai tik bus gauti tikri stebėjimo duomenys. Modeliai netgi įtraukia drastišką rentgeno spinduliuotės poveikį, kai masyvios žvaigždės virsta neutroninėmis žvaigždėmis ar juodosiomis skylėmis – šis aspektas ankstesniuose tyrimuose dažnai būdavo ignoruojamas.

Kaip aiškina daktarė Fialkov: „Mes pirmieji nuosekliai modeliuojame 21 cm signalo priklausomybę nuo žvaigždžių masės, įskaitant ultravioletinių spindulių ir rentgeno spinduliuotės iš poveikį nuo ankstyvųjų žvaigždžių liekanų. Šias įžvalgas suteikia simuliacijos, atspindinčios pradinę Visatos vandenilio ir helio sudėtį.“

Masyvių žvaigždžių žūtis ir rentgeno spinduliuotės vaidmuo

Kai didžiulės pirmosios kartos žvaigždės baigdavo gyvenimą, jų branduoliai susitraukdavo į pačius ekstremaliausius objektus – neutronines žvaigždes ir juodąsias skyles. Šios liekanos išspinduliuoja galingus rentgeno spindulius, kurie jonizuoja aplinkinį vandenilį ir ženkliai keičia 21 cm radijo signalą. Nauji tyrimai pabrėžia, kaip svarbu įtraukti šį procesą norint tiksliai interpretuoti būsimų observatorijų duomenis.

Kaip teigia Kembridžo astronomas dr. Eloy de Lera Acedo: „Mūsų prognozės turi didelę reikšmę pirmųjų žvaigždžių supratimui Visatoje. Galime parodyti, kad radijo teleskopai gali atskleisti svarbią informaciją apie šių žvaigždžių masę bei išskirtinumą palyginti su šiuolaikinėmis žvaigždėmis.“

Išvados

Labai silpno 21 centimetro vandenilio signalo aptikimas ir analizė žymi naują etapą stebimojoje kosmologijoje. Derindami pažangius teorinius modelius su beprecedenčiu naujų radijo teleskopų, tokių kaip SKA ir REACH, jautrumu, astronomai prieina prie naujų įžvalgų apie Visatos pirmąsias žvaigždes. Tokie atradimai ne tik praplės mūsų supratimą apie žvaigždžių evoliuciją, bet ir leis geriau pažinti ankstyviausias Visatos epochas – kai kosmosas pirmą kartą nušvito žvaigždžių šviesa.