Αναζητώντας την πρωταρχική γενιά των άστρων του Σύμπαντος

του Αλέξη Δεληβοριά, Διδάκτορα Φυσικής Ιδρυμα Ευγενίδου

Ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε στην άλω που περιβάλλει τον γαλαξία GN-z11 μια αέρια συσσώρευση ιονισμένου ηλίου, «αμόλυντη» ακόμη από προσμείξεις άλλων στοιχείων. Το αέριο αυτό ήλιο ιονίζεται από «κάτι» που παράγει τεράστιες ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας, και σύμφωνα με τους επιστήμονες της σχετικής μελέτης αυτό το «κάτι» θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε ορισμένα από τα πρωταρχικά άστρα που εμφανίστηκαν στο Σύμπαν, τα άστρα του Πληθυσμού III, όπως είναι γνωστά.

Ο γαλαξίας GN-z11 είναι ένας από τους πλέον αρχέγονους και μακρινούς γαλαξίες που γνωρίζουμε, το φως του οποίου ταξίδευε για 13,4 δισ. χρόνια μέχρι να φτάσει σε εμάς, που σημαίνει ότι τον παρατηρούμε όπως ήταν μόλις 430 εκατ. χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Την αρχέγονη εκείνη εποχή, η απόστασή του από τον Γαλαξία μας ήταν μόλις 2.6 δισ. έτη φωτός. Εξαιτίας, όμως, της διαστολής του Σύμπαντος, η τωρινή του απόσταση υπερβαίνει τα 32 δισ. έτη φωτός. Ο γαλαξίας αυτός ανακαλύφθηκε το 2015 με την βοήθεια των διαστημικών τηλεσκοπίων Hubble και Spitzer και, μέχρι πρόσφατα, η ανεξήγητα μεγάλη του φωτεινότητα αποτελούσε πρόκληση για τους αστρονόμους.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας, λίγα μόνο λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το αρχέγονο Σύμπαν αποτελούνταν σχεδόν αποκλειστικά από πυρήνες υδρογόνου και ηλίου, καθώς και από ίχνη λιθίου και βηρυλλίου. Με εξαίρεση δηλαδή το υδρογόνο και το ήλιο, κάθε άλλο χημικό στοιχείο του Περιοδικού Πίνακα σχηματίστηκε αργότερα (και συνεχίζει να σχηματίζεται) στο εσωτερικό των άστρων, μέσα από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης, ενώ απελευθερώνεται στο Διάστημα μόνο όταν τα άστρα αυτά εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους καύσιμα και διαμελιστούν σε εκρήξεις σουπερνόβα.

Επομένως, τα πρωταρχικά άστρα του Σύμπαντος, τα άστρα του Πληθυσμού III όπως είναι γνωστά, περιέχουν μόνο υδρογόνο και ήλιο στις εξωτερικές τους στοιβάδες, καθώς σχηματίστηκαν προτού ακόμα ο μεσοαστρικός χώρος αρχίσει να εμπλουτίζεται με τα βαρύτερα αυτά «μέταλλα» (σε αντίθεση με τους χημικούς, οι αστρονόμοι προσδιορίζουν ως «μέταλλα» όλα τα χημικά στοιχεία που είναι βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο).

Τα άστρα αυτά εικάζεται ότι είχαν μάζα ακόμη και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, εκτυφλωτική φωτεινότητα και επιφανειακή θερμοκρασία ακόμη και 100.000° C, όταν η επιφανειακή θερμοκρασία του Ήλιου δεν υπερβαίνει τους 6.000° C. Επειδή, μάλιστα, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός άστρου, τόσο ταχύτερα καταναλώνει τα πυρηνικά του καύσιμα, τα άστρα του Πληθυσμού III θεωρείται ότι ολοκληρώνουν τη ζωή τους σε μόλις 2-5 εκατ. χρόνια, όταν συγκριτικά το προσδόκιμο της ζωής του Ήλιου υπερβαίνει τα 10 δισ. χρόνια.

Από την αρχέγονη εκείνη εποχή και μέχρι σήμερα, κάθε άστρο που πεθαίνει, απελευθερώνει τα «μέταλλα» που συνέθεσε στο εσωτερικό του, με αποτέλεσμα τα άστρα που θα γεννηθούν μετά απ’ αυτό, να έχουν τηρουμένων των αναλογιών ελάχιστα μεγαλύτερη συγκέντρωση βαρύτερων στοιχείων.

Έτσι, λοιπόν, οι αστρονόμοι κατηγοριοποιούν τα άστρα του Σύμπαντος σε τρεις μεγάλες ομάδες ή Πληθυσμούς. Η πρωταρχική γενιά των άστρων που εμφανίστηκαν στο Σύμπαν, δηλαδή τα άστρα του Πληθυσμού III, δεν εμπεριείχαν καθόλου μέταλλα στις εξωτερικές τους στοιβάδες. Η επόμενη γενιά των άστρων, δηλαδή τα άστρα του Πληθυσμού II, εμπεριέχουν μικρές ποσότητες «μετάλλων», αφού δημιουργήθηκαν μέσα σε γιγάντια μοριακά νέφη αερίων και σκόνης, τα οποία είχαν ήδη εμπλουτιστεί με τα πρώτα «μέταλλα» που απελευθέρωσαν τα άστρα του Πληθυσμού III με τον θάνατό τους.

Με τον ίδιο τρόπο, τα άστρα του Πληθυσμού II εμπλούτισαν με τον δικό τους θάνατο τον μεσοαστρικό χώρο με επιπλέον ποσότητες βαρύτερων στοιχείων, έτσι ώστε η τρίτη και τελευταία γενιά των άστρων του Σύμπαντος, δηλαδή τα άστρα του Πληθυσμού I, στα οποία περιλαμβάνεται και ο Ήλιος μας, έχουν συγκριτικά τη μεγαλύτερη συγκέντρωση «μετάλλων» από κάθε άλλο άστρο.

Η ανίχνευση των άστρων του Πληθυσμού ΙΙΙ είναι ένας από τους σημαντικότερους στόχους της σύγχρονης αστροφυσικής. Όμως, παρόλο που ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί θεωρητικά εδώ και πολλά χρόνια, η επαλήθευση της ύπαρξής τους με την παρατήρηση δεν έχει επιτευχθεί ακόμη, καθώς είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Αυτό δεν οφείλεται μόνο στην μικρή διάρκεια της ζωής τους, αλλά και στο ότι τα άστρα αυτά «ζούσαν» σε μια κοσμική εποχή, όπου το Σύμπαν ήταν ακόμη σχετικά αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να μην φτάνει εύκολα η λάμψη τους σε μας.

Η βασική ένδειξη με την οποία ένα άστρο του Πληθυσμού III μπορεί να αποκαλύψει την ύπαρξή του είναι η παρουσία ιονισμένου ηλίου, παράλληλα με την απουσία κάθε άλλου στοιχείου βαρύτερου από το ήλιο, αυτό δηλαδή ακριβώς που φέρνει στο φως η σχετική μελέτη. Όπως δήλωσε σχετικά ο Roberto Maiolino, κύριος συγγραφέας της μελέτης από το Πανεπιστήμιο του Cambridge, «το γεγονός ότι δεν βλέπουμε τίποτα άλλο εκτός από ήλιο υποδηλώνει ότι η αέρια αυτή συσσώρευση είναι ακόμη αρκετά αμόλυντη. Αυτό είναι κάτι που αναμενόταν από τη θεωρία και τις προσομοιώσεις … ότι δηλαδή θα πρέπει να υπάρχουν θύλακες αμόλυντου αερίου στην άλω ενός γαλαξία, που μπορεί να καταρρεύσουν και να σχηματίσουν σμήνη άστρων του πληθυσμού ΙΙΙ».

Αξίζει εδώ να αναφερθεί ότι ο Maiolino και οι συνεργάτες του σε μια άλλη μελέτη του ίδιου γαλαξία ανακάλυψαν και τις πρώτες σαφείς ενδείξεις ότι φιλοξενεί στο κέντρο του μία γιγάντια μαύρη τρύπα με μάζα 2 εκατ. φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, η οποία απορροφά ταχύτατα την ύλη που την περιβάλλει. Πρόκειται για την πιο μακρινή ενεργή γαλαξιακή μαύρη τρύπα που έχει εντοπιστεί μέχρι σήμερα, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο γαλαξίας GN-z11 φιλοξενεί στο εσωτερικό του έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα, ο οποίος εκλύει μεγάλες ποσότητες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, καθώς η γιγάντια μαύρη τρύπα στο κέντρο του «τρέφεται» με τα υλικά που την περιβάλλουν. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με την πιθανή ύπαρξη των άστρων του Πληθυσμού III, εξηγεί την παράξενα μεγάλη φωτεινότητα του γαλαξία, χωρίς να παραβιάζεται το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας.

Τα αποτελέσματα της έρευνας για την ύπαρξη της ενεργής μαύρης τρύπας στο εσωτερικό του γαλαξία GN-z11 δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature στις 17 Ιανουαρίου 2024, ενώ η έρευνα που αφορά στην πιθανή ύπαρξη των άστρων του Πληθυσμού III έχει γίνει δεκτή για δημοσίευση από το επιστημονικό περιοδικό Astronomy & Astrophysics.

Φωτογραφία: Αυτή η εικόνα, που ελήφθη από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, «αποτυπώνει» στο εγγύς υπέρυθρο ένα μέρος του επονομαζόμενου πεδίου γαλαξιών GOODS-North. Ο γαλαξίας GN-z11 διακρίνεται σε μεγέθυνση στο κάτω δεξιά μέρος της εικόνας.

Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

Πηγή:https://www.eef.edu.gr/el/arthra/anazitontas-tin-protarhiki-genia-ton-astron-tou-sympantos/