Eksplozje pierwszych gwiazd we Wszechświecie wypluwały potężne dżety materii

W przeciwieństwie do tego, co kiedyś sądzono, wczesne supernowe nie wybuchły w postaci sferycznej ale wyrzuciły dżety materii, która mogła zasiać nowe gwiazdy.

Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu pierwsze gwiazdy zapłonęły w postaci ogromnie jasnych nagromadzeń wodoru i helu. W jądrach tych pierwszych gwiazd ekstremalne reakcje termojądrowe wykuły pierwsze ciężkie pierwiastki, w tym węgiel, żelazo i cynk.

Owe pierwsze gwiazdy były prawdopodobnie ogromnymi, krótko żyjącymi kulami ognia, a naukowcy założyli, że eksplodowały jako jednakowo sferyczne supernowe.

Ale teraz astronomowie odkryli, że te pierwsze gwiazdy mogły rozerwać się w potężniejszy, asymetryczny sposób, wyrzucając strumienie, które były wystarczająco gwałtowne, aby wypchnąć ciężkie pierwiastki do sąsiednich galaktyk. Pierwiastki te ostatecznie posłużyły jako budulec gwiazd drugiej generacji, spośród których do dzisiaj można niektóre obserwować.

W artykule opublikowanym w Astrophysical Journal naukowcy donoszą o dużej obfitości cynku w HE 1327-2326, starożytnej gwieździe, która przetrwała i należy do drugiej generacji gwiazd. Wierzą, że mogła nabyć tak dużą ilość cynku po asymetrycznej eksplozji jednej z pierwszych gwiazd, która wzbogaciła gaz jej narodzin.

„Kiedy gwiazda eksploduje, pewna jej część zostaje wessana do czarnej dziury. Tylko wtedy, gdy mamy jakiś mechanizm, taki jak dżet, który może wyrwać materię, możemy zaobserwować tę materię później w gwieździe następnej generacji. I wierzymy, że to właśnie mogło mieć tutaj miejsce” – mówi Anna Ferbel, prof. fizyki na MIT.

„Są to pierwsze dowody obserwacyjne na to, że taka asymetryczna supernowa miała miejsce we wczesnym Wszechświecie. To zmienia nasze rozumienie na temat tego, jak wybuchały pierwsze gwiazdy” – dodaje Rana Ezzeddine z MIT i główna autorka badania.

HE 1327-2326 została odkryta przez Annę Ferbel w 2005 r. Gwiazda była wówczas najbardziej ubogą w metale gwiazdą, jaką kiedykolwiek zaobserwowano, co oznacza, że miała niezwykle niskie stężenie pierwiastków cięższych, niż wodór i hel – co świadczyło o tym, że powstała jako część gwiazd drugiej generacji.

„Pierwsze gwiazdy były tak masywne, że musiały wybuchnąć niemal natychmiast. Mniejsze gwiazdy, które uformowały się w drugiej generacji, nadal istnieją i zachowują wczesną materię pozostawioną przez pierwsze gwiazdy. Nasza dzienna gwiazda ma zaledwie kroplę pierwiastków cięższych, niż wodór i hel, więc wiemy, że musiała powstać jako gwiazda drugiej generacji” – mówi Anna Ferbel.

W maju 2016 r. zespół był w stanie zaobserwować gwiazdę, która orbituje blisko Ziemi, w odległości zaledwie 5000 lat świetlnych. Naukowcy uzyskali czas na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a i przez dwa tygodnie rejestrowali światło gwiazd. Użyli instrumentu znajdującego się na pokładzie teleskopu – Cosmic Origins Spectrograph – aby zmierzyć obfitość różnych pierwiastków w gwieździe.

Spektrograf został zaprojektowany z dużą precyzją, aby wychwytywać słabe światło ultrafioletowe. Niektóre z tych długości fal są pochłaniane przez pewne pierwiastki, jak np. cynk. Naukowcy sporządzili listę ciężkich pierwiastków, które, jak podejrzewali, mogą znajdować się w tak antycznej gwieździe, które planowali szukać w danych UV, w tym krzem, żelazo, fosfor i cynk.

Następnie Frebel i Ezzeddine skontaktowały się ze swoimi współpracownikami w Japonii, którzy specjalizują się w opracowywaniu symulacji supernowych i gwiazd powstających w ich następstwie. Naukowcy przeprowadzili ponad 10 000 symulacji supernowych, z których każda miała inną energię wybuchu, konfigurację i inne parametry. Odkryli, że podczas gdy większość symulowanych sferycznych supernowych była w stanie wytworzyć gwiazdę wtórną zawierającą pierwiastki obserwowane w HE 1327-2326, żadna z nich nie stworzyła cynku.

Jak się okazuje, jedyną symulacją, która mogłaby wyjaśnić charakteryzację gwiazdy, w tym jej dużą obfitość cynku, była asferyczna, wyrzucająca dżety supernowa pierwszej gwiazdy. Taka supernowa byłaby niezwykle wybuchowa, z mocą odpowiadającą około kwintylionowi (10 z trzydziestoma zerami) bomb wodorowych.

Wyniki zespołu mogą zmienić rozumienie naukowców dotyczące rejonizacji, kluczowego okresu, w którym gaz we Wszechświecie przekształcił się z całkowicie neutralnego w zjonizowany – stan, który umożliwił kształtowanie się galaktyk.

Te pierwsze supernowe mogły być również wystarczająco potężne, aby wystrzelić ciężkie pierwiastki do sąsiednich „dziewiczych galaktyk”, które jeszcze nie stworzyły własnych gwiazd.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MIT

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.