Επιστήμονες ανακάλυψαν τον φωτεινότερο πρώιμο γαλαξία και πιθανά άστρα της πρώτης γενιάς

Αστρονόμοι χρησιμοποιώντας το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope – VLT) του ESO (European Southern Observatory) ανακάλυψαν τον πιο λαμπρό γαλαξία που έχει βρεθεί μέχρι τώρα στο πρώιμο Σύμπαν και βρήκαν ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία ότι μέσα σε αυτόν κρύβονται περιπτώσεις άστρων της πρώτης γενεάς. Αυτά τα μεγάλης μάζας, φωτεινά και μέχρι σήμερα καθαρά θεωρητικά αντικείμενα, ήταν οι δημιουργοί των πρώτων βαρέων στοιχείων στην ιστορία, των στοιχείων εκείνων που είναι απαραίτητα για να συγκροτηθούν τα άστρα που υπάρχουν σήμερα γύρω μας, οι πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τα άστρα και η ζωή όπως την γνωρίζουμε. Ο γαλαξίας που βρέθηκε πρόσφατα, καταγράφεται ως CR7, είναι τρεις φορές πιο φωτεινός από τον φωτεινότερο μακρινό γαλαξία που είναι γνωστός μέχρι τώρα.

Οι αστρονόμοι έχουν από καιρό υποθέσει την ύπαρξη μιας πρώτης γενιάς άστρων, γνωστή ως Population III (Πληθυσμός III) αστέρια [1], που γεννήθηκαν από το αρχέγονο υλικό από το Big Bang. Όλα τα βαρύτερα χημικά στοιχεία, όπως οξυγόνο, άζωτο, άνθρακας και σίδηρος, τα οποία είναι ουσιαστικά για τη ζωή, σχηματίστηκαν στις κοιλιές των άστρων. Αυτό σημαίνει ότι τα πρώτα άστρα πρέπει να σχηματίστηκαν από τα μόνα στοιχεία που υπήρχαν πριν από τα αστέρια: το υδρογόνο, το ήλιο και ίχνη ποσοτήτων λιθίου.

Αυτά τα Population III αστέρια θα πρέπει να ήταν τεράστια, αρκετές εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες φορές μεγαλύτερης μάζας από αυτή του Ηλίου, απίστευτα θερμά και βραχύβια, που εκρήγνυνται ως σουπερνόβα μετά από μόνο δύο εκατομμύρια χρόνια περίπου. Αλλά μέχρι τώρα η έρευνα για τη φυσική απόδειξη της ύπαρξής τους ήταν αναποτελεσματική.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον David Sobral, από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Επιστημών Διαστήματος, της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου της Λισαβόνας στην Πορτογαλία και το Αστεροσκοπείο του Λέιντεν στην Ολλανδία, χρησιμοποίησε τώρα το VLT του ESO για να κοιτάξει πίσω στο αρχαίο Σύμπαν, σε μια περίοδο γνωστή ως επαναϊονισμός, περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Αντί για τη διεξαγωγή μια στενής και βαθιάς μελέτης μιας μικρής περιοχής του ουρανού, διεύρυναν το πεδίο εργασίας τους για να παραγάγουν τη μεγαλύτερη έρευνα των πολύ απομακρυσμένων γαλαξιών που έχει επιχειρηθεί ποτέ.

Η διευρυμένη μελέτη τους έγινε με τη χρήση του VLT με τη βοήθεια από το W. M. Keck Observatory και το τηλεσκόπιο Subaru, καθώς και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble των NASA και ESA. Η ομάδα ανακάλυψε – και επικύρωσε – μια σειρά από εκπληκτικά φωτεινούς πολύ νέους γαλαξίες. Ένας από αυτούς, καταγράφεται ως CR7, ήταν ένα εξαιρετικά σπάνιο αντικείμενο, μακράν ο πιο λαμπρός γαλαξίας που έχει ποτέ καταγραφεί σε αυτό το τμήμα του Σύμπαντος. Με την ανακάλυψη του CR7 και άλλων φωτεινών γαλαξιών, η μελέτη είχε ήδη μια επιτυχία, αλλά απαιτείται περαιτέρω έλεγχος που προβλέπονται ακόμη πιο συναρπαστικά νέα.

Τα όργανα X-shooter και SINFONI στο VLT βρήκαν ισχυρή εκπομπή ιονισμένου ήλιου στον CR7 αλλά – κρίσιμα και αναπάντεχα – κανένα σημάδι οποιωνδήποτε βαρύτερων στοιχείων σε ένα φωτεινό θύλακα στο γαλαξία. Αυτό σήμαινε ότι η ομάδα είχε ανακαλύψει την πρώτη καλή απόδειξη για συστάδες άστρων Population III που είχουν ιονισμένο αέριο στο εσωτερικό ενός γαλαξία στο πρώιμο Σύμπαν.

«Η ανακάλυψη διέψευσε τις προσδοκίες μας από την αρχή», δήλωσε ο David Sobral, «καθώς δεν περιμέναμε να βρούμε ένα τέτοιο φωτεινό γαλαξία. Στη συνέχεια, αποκαλύπτοντας τη φύση του CR7 κομμάτι-κομμάτι, καταλάβαμε ότι όχι μόνο βρήκαμε μακράν τον πιο φωτεινό μακρινό γαλαξία, αλλά επίσης αρχίσαμε να συνειδητοποιούμε ότι είχε κάθε χαρακτηριστικό που αναμένονταν για τα Population III αστέρια. Αυτά τα αστέρια ήταν αυτά που διαμόρφωσαν τα πρώτα βαριά άτομα που τελικά μας επέτρεψαν να είμαστε εδώ. Δεν υπάρχει τίποτε πιο συναρπαστικό από αυτό».

Εντός του CR7, βρέθηκαν πιο μπλε και κάπως πιο κόκκινα σμήνη άστρων, υποδεικνύοντας ότι ο σχηματισμός των Population III άστρων συνέβη κατά κύματα – όπως είχε προβλεφθεί. Αυτό που η ομάδα παρατήρησε άμεσα ήταν το τελευταίο κύμα των άστρων Population III, γεγονός που υποδηλώνει ότι τέτοια άστρα θα πρέπει να είναι πιο εύκολο να βρεθούν από ότι εθεωρείτο μέχρι σήμερα: βρίσκονται ανάμεσα σε κανονικά αστέρια, στους φωτεινούς γαλαξίες, όχι μόνο στους πρώτους, τους μικρότερους και πιο σκοτεινούς γαλαξίες, που είναι τόσο εξασθενημένοι ώστε να είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθούν.

Ο Jorryt Matthee, ο δεύτερος συγγραφέας της εργασίας, κατέληξε: «Αναρωτιόμουν πάντα από πού ερχόμαστε. Ακόμη και ως παιδί ήθελα να ξέρω από πού προέρχονται τα στοιχεία: το ασβέστιο στα κόκαλά μου, ο άνθρακας στους μυς μου, ο σίδηρος στο αίμα μου. Ανακάλυψα ότι αυτά τα στοιχεία πρώτα σχηματίστηκαν στην αρχή του Σύμπαντος, από την πρώτη γενιά των άστρων. Με αυτή την ανακάλυψη, παραδόξως, έχουμε αρχίσει να βλέπουμε πράγματι τέτοια αντικείμενα, για πρώτη φορά». Σχεδιάζονται περαιτέρω παρατηρήσεις με τα VLT, ALMA και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble των NASA και ESA, για να επιβεβαιωθεί πέρα από κάθε αμφιβολία ότι αυτό που έχει παρατηρηθεί είναι αστέρια Population III και να αναζητηθούν και να εντοπιστούν περισσότερες περιπτώσεις.

Σημείωση [1]: Το όνομα Population III προέκυψε επειδή οι αστρονόμοι είχαν ήδη χαρακτηρίσει τα άστρα του Γαλαξία μας, ως Population I (αστέρια σαν τον ήλιο, που είναι πλούσια σε βαρύτερα στοιχεία και σχηματίζουν το δίσκο) και Population II (παλαιότερα αστέρια, με χαμηλό περιεχόμενο σε βαρέα στοιχεία και βρέθηκαν στην προεξοχή του Γαλαξία και στην άλω και στα σφαιρωτά σμήνη αστέρων).

Σημείωση [2]: Καλλιτεχνική απεικόνιση του γαλαξία CR7

Πηγή: European Southern Observatory

Περισσότερα στην εργασία: Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation, by D. Sobral, et al., (is accepted for publication in The Astrophysical Journal).