Αρχαίο νέφος αερίου δείχνει ότι τα πρώτα άστρα πρέπει να έχουν διαμορφωθεί πολύ γρήγορα

Αστρονόμοι υπό την ηγεσία του Eduardo Bañados του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστρονομία, έχουν ανακαλύψει νέφος αερίου που περιέχει πληροφορίες σχετικά με μια πρώιμη φάση γαλαξία και τον σχηματισμό των άστρων, περίπου 850 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το νέφος βρέθηκε κατά ευτυχή συγκυρία στη διάρκεια παρατηρήσεων απομακρυσμένου κβάζαρ και έχει τις ιδιότητες που οι αστρονόμοι αναμένουν από τους προδρόμους των σημερινών νάνων-γαλαξιών. Όσον αφορά τις σχετικές ποσότητες, η χημεία του νέφους είναι απροσδόκητα σύγχρονη, πράγμα που δείχνει ότι τα πρώτα άστρα στο σύμπαν πρέπει να έχουν διαμορφωθεί πολύ γρήγορα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στην Astrophysical Journal.

Όταν οι αστρονόμοι παρατηρούν μακρινά αντικείμενα, αναγκαστικά κοιτούν πίσω στο χρόνο. Το νέφος αερίου που ανακαλύφθηκε από τον Bañados και άλλους είναι τόσο μακρινό που το φως του κάνει κοντά στα 13 δισεκατομμύρια χρόνια για να φθάσει σε μας ή αντίστροφα, το φως που φθάνει σε μας τώρα μας λέει πως φαινόταν το νέφος αερίου πριν από περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια, όχι περισσότερα από περίπου 850 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Για τους αστρονόμους, αυτή είναι μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα εποχή. Μέσα στις πρώτες αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, διαμορφώθηκαν τα πρώτα άστρα και οι πρώτοι γαλαξίες, όμως οι λεπτομέρειες αυτής της πολύπλοκης εξέλιξης είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό άγνωστες.

Αυτό το πολύ απομακρυσμένο νέφος αερίου ήταν μια ευχάριστη τυχαία ανακάλυψη. Ο Bañados, τότε στο Ίδρυμα Carnegie για την Επιστήμη, και οι συνάδελφοί του, παρακολουθούσαν διάφορα κβάζαρ από μια επισκόπηση 15 από τα πιο απομακρυσμένα γνωστά κβάζαρ, που ετοιμάστηκε από την Chiara Mazzucchelli στο πλαίσιο της έρευνας για τη διδακτορική της διατριβή στο Ινστιτούτο Max Planck για την Αστρονομία. Αρχικά, οι ερευνητές απλά παρατήρησαν ότι το κβάζαρ P183+05 είχε ένα μάλλον ασυνήθιστο φάσμα. Όμως όταν ο Bañados ανέλυσε ένα πιο λεπτομερές φάσμα, που πήρε με τα Τηλεσκόπια Μαγγελάνος, στο Παρατηρητήριο Las Campanas στη Χιλή, αναγνώρισε ότι υπήρχε κάτι άλλο που γινόταν: Τα περίεργα χαρακτηριστικά του φάσματος ήταν τα ίχνη ενός νέφους αερίου που ήταν πολύ κοντά στο απομακρυσμένο κβάζαρ – ένα από τα πιο απομακρυσμένα νέφη αερίου που οι αστρονόμοι μπόρεσαν να αναγνωρίσουν.

Φωτισμός από ένα απόμακρο κβάζαρ

Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά φωτεινοί ενεργοί πυρήνες απομακρυσμένων γαλαξιών. Η κινητήριος δύναμη πίσω από τη φωτεινότητά τους είναι η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία. Η ύλη που στροβιλίζεται γύρω από τη μαύρη τρύπα (πριν πέσει μέσα της) υπερθερμαίνεται σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους εκατοντάδες χιλιάδες βαθμούς, αποδίδοντας τεράστια ποσά ακτινοβολίας. Αυτό επιτρέπει να χρησιμοποιούνται τα κβάζαρ ως πηγές υποβάθρου για να ανιχνευτούν υδρογόνο και άλλα χημικά στοιχεία σε απορρόφηση: Εάν ένα νέφος αερίου είναι άμεσα μεταξύ του παρατηρητή και ενός απομακρυσμένου κβάζαρ, ορισμένο από το φως του κβάζαρ θα απορροφηθεί.

Οι αστρονόμοι μπορούν να ανιχνεύσουν αυτή την απορρόφηση μελετώντας το φάσμα του κβάζαρ, που είναι, η – σαν το ουράνιο τόξο – ανάλυση του φωτός του κβάζαρ σε περιοχές με διάφορα μήκη κύματος. Το μοτίβο απορρόφησης περιέχει πληροφορίες σχετικές με τη χημική σύσταση του νέφους αερίου, τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και ακόμη στοιχεία σχετικά με την απόσταση του νέφους από εμάς (και από το κβάζαρ). Πίσω από αυτό είναι το γεγονός ότι κάθε χημικό στοιχείο έχει ένα «δακτυλικό αποτύπωμα» φασματικών γραμμών – στενές περιοχές μηκών κύματος στις οποίες τα άτομα αυτού του στοιχείου μπορούν να εκπέμπουν ή να απορροφούν φως ιδιαίτερα καλά. Η παρουσία ενός χαρακτηριστικού δακτυλικού αποτυπώματος αποκαλύπτει την παρουσία και την ποσότητα ενός ιδιαίτερου χημικού στοιχείου.

Όχι ακριβώς το νέφος που αναζητούσαν

Από το φάσμα του νέφους αερίου, οι ερευνητές θα μπορούσαν αμέσως να πουν για την απόσταση του νέφους και με αυτό να κοιτάζουν πίσω στα πρώτα εκατομμύρια χρόνια της κοσμικής ιστορίας. Επίσης βρίσκουν ίχνη διάφορων χημικών στοιχείων συμπεριλαμβανομένων των υδρογόνου, οξυγόνου, σιδήρου και μαγνησίου. Ωστόσο, το ποσό αυτών των στοιχείων ήταν πάρα πολύ μικρό, περίπου 1/800 φορές του ποσού στην ατμόσφαιρα του Ήλιου μας. Οι αστρονόμοι συνοπτικά αποκαλούν όλα τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από το ήλιο «μέταλλα» και αυτή η μέτρηση κάνει το νέφος αερίου ένα από τα πιο φτωχά σε μέταλλα (και απόμακρα) γνωστά συστήματα στο σύμπαν. Ο Michael Rauch από το Ίδρυμα Επιστήμης Carnegie, που είναι ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, λέει: «Αφού πειστήκαμε ότι κοιτάζαμε σε ένα τέτοιο άθικτο αέριο μόνο 850 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αρχίσαμε να αναρωτιόμαστε αν αυτό το σύστημα θα μπορούσε ακόμη να διατηρεί χημικές υπογραφές που παράγονται από τις πολύ πρώτες γενιές άστρων».

Η εύρεση αυτής της πρώτης γενιάς, αποκαλούμενης «πληθυσμός ΙΙΙ», άστρων είναι ένας από τους πιο σημαντικούς στόχους στην αναδόμηση της ιστορίας του σύμπαντος. Στο ύστερο σύμπαν, τα χημικά στοιχεία τα βαρύτερα από το υδρογόνο παίζουν έναν σημαντικό ρόλο στο να κάνουν τα νέφη αερίου να καταρρέουν για να διαμορφώσουν άστρα. Όμως αυτά τα χημικά στοιχεία, κυρίως ο άνθρακας, τα ίδια παράγονται στα άστρα και σκορπίζονται στο διάστημα στις υπερκαινοφανείς εκρήξεις. Για τα πρώτα άστρα, αυτοί οι χημικοί παράγοντες οργάνωσης απλά δεν θα υπήρχαν εκεί, καθώς στην αμέσως μετά της Μεγάλης Έκρηξης φάση, υπήρχαν μόνο άτομα υδρογόνου και ηλίου. Αυτό είναι που κάνει τα πρώτα άστρα θεμελιωδώς διαφορετικά από όλα τα μετέπειτα άστρα.

Η ανάλυση έδειξε ότι η χημική σύσταση του νέφους δεν ήταν χημικά αρχέγονη, αλλά αντίθετα οι σχετικές ποσότητες ήταν παραδόξως όμοιες με τις χημικές ποσότητες που παρατηρούνται στα σημερινά διαγαλαξιακά νέφη αερίου. Οι αναλογίες των ποσοτήτων των βαρύτερων στοιχείων ήταν πολύ κοντά στις αναλογίες του σύγχρονου σύμπαντος. Το γεγονός ότι αυτό το νέφος αερίου στο πολύ πρώιμο σύμπαν ήδη περιέχει μέταλλα με σύγχρονες σχετικές χημικές ποσότητες θέτει βασικά ερωτήματα για το σχηματισμό της πρώτης γενιάς άστρων.

Τόσο πολλά άστρα, τόσος λίγος χρόνος

Η μελέτη αυτή υποδηλώνει ότι η διαμόρφωση των πρώτων άστρων σε αυτό το σύστημα πρέπει να έχει αρχίσει πολύ νωρίτερα: οι χημικές αποδόσεις που αναμένονταν από τα πρώτα άστρα είχαν ήδη εξαλειφθεί από τις εκρήξεις μιας τουλάχιστον γενιάς άστρων. Ένας ιδιαίτερος χρονικός περιορισμός προέρχεται από τους υπερκαινοφανείς τύπου Ia, κοσμικές εκρήξεις που απαιτούνται για να παραχθούν μέταλλα με τις παρατηρούμενες σχετικές ποσότητες. Τέτοιες υπερκαινοφανείς τυπικά χρειάζονται 1 δισεκατομμύριο χρόνια για να συμβούν, που θέτουν έναν σοβαρό περιορισμό σε οποιοδήποτε σενάριο του πώς διαμορφώνονται τα πρώτα άστρα.

Τώρα που οι αστρονόμοι βρήκαν αυτό το πολύ πρώιμο νέφος, συστηματικά αναζητούν επιπρόσθετα παραδείγματα. Ο Eduardo Bañados λέει: «Είναι συναρπαστικό που μπορέσαμε να μετρήσουμε μεταλλικότητα και χημικές ποσότητες τόσο νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος, όμως αν θέλουμε να αναγνωρίσουμε τις υπογραφές των πρώτων άστρων χρειάζεται να ερευνήσουμε ακόμη νωρίτερα στην κοσμική ιστορία. Είμαι αισιόδοξος ότι θα βρούμε ακόμη πιο απομακρυσμένα νέφη αερίου, που θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να καταλάβουμε πώς γεννήθηκαν τα πρώτα άστρα».

Πηγή: Max Planck Institute for Astronomy

Περισσότερα στη προ-δημοσίευση: A metal-poor damped Ly-alpha system at redshift 6.4