Íme, amit Zwicky 18 elmondhat nekünk az univerzum első csillagairól

A csak 59 millió fényév távolságban lévő kék törpe galaxisban rejtélyes III. Lakosság csillagai unokatestvérei találhatók.

Az univerzum első csillagai olyanok voltak, mint amilyeneket ma láthatunk. A csillagászoknak a III. Lakosság csillagának ismertek voltak, nagyok, hatalmasak és szinte teljes egészében hidrogénből és héliumból álltak. A III. Populáció csillagai azért voltak fontosak, mert dúsították a csillagközi közeget fémekkel - az összes elem nehezebb, mint a hidrogénnél és a héliumnál -, és részt vettek a reionizációban, amely néhány száz millió évvel a Nagyrobbanás után az univerzumot átláthatóbbá tette.

A III. Népességű csillagok megtalálása megerősítheti a kozmológia és a csillagok fejlődésének elméleteinek fontos részeit. Mindamellett mindannyian el kell távolulniuk a Tejútból, már régen szupernóvaként robbantak fel. Megvizsgálhatjuk a távoli világegyetemet, és nagy vöröseltolódással keressük őket - sőt, a James Webb Űrtávcső ezt fogja tenni -, de az egyes csillagok észlelése e távolságon meghaladja jelenlegi képességeinket. Eddig a távcsövek semmit sem jelentettek meg.

Az I Zwicky 18 Hubble Űrtávcsőjének képe fiatal kék csillagok által megvilágított gázt mutat. Kép jóváírása: NASA / ESA / A. Aloisi.

A közelben található I Zwicky 18 nevű törpe galaxis közelmúltbeli megfigyelései azonban adott némi reményt. Mindössze 59 millió fényév távolságban úgy tűnik, hogy a galaxis hidrogénfelhőket tartalmaz, amelyek szinte fémmentesek. Sőt, egy olyan csillagképződésen megy keresztül, amely valószínűleg olyan csillagokat produkál, amelyek nagyon hasonlóak a III. Népesség csillagaihoz. Ha többet megtudhatnánk erről a galaxisról, ez nyomokat adhat nekünk arról, hogy milyenek voltak a legkorábbi csillagok és galaxisok az univerzumban.

A csillagképződés jelenlegi hulláma az első?

Az I. Zwicky 18 kezdeti HI-megfigyelésein a rádióinterferométert a hollandiai Westerborkban használtam. Kép jóváírása: A Wikipedia felhasználói Onderwijsgek, a Creative Commons Nevezd meg! - Így add tovább! 2.5 Hollandia licenc alatt.

A Lequex & Viallefond 1980 készítette az első tanulmányokat, amelyek felhívták a figyelmet arra a lehetőségre, hogy I Zwicky 18 a III. Népességű analóg csillagokat képezi. Kiegészítették a HII régiók meglévő optikai megfigyeléseit - ionizált gázfelhők, amelyek fiatal, forró, hatalmas csillagokat tartalmaznak - a HI-régiók tanulmányozásával a 21 cm-es emissziós vonalon keresztül, amely kulcsfontosságú eszköz a semleges hidrogén térképezéséhez. Megpróbálták kitalálni, hogy a törpe galaxisban a hatalmas csillagképződés jelenlegi fordulója az első, vagy más események megelőzték-e, amikor a hidrogén felhőket fémekkel szennyezték.

A Westerbork Synthesis Radio Telescope segítségével végzett rádiómegfigyeléseik összesen kb. 70 millió napenergiát jelentenek hat különálló régióban, amelyek közül három megoldatlan maradt. Nem voltak képesek összekapcsolni az egyes komponenseket a HII régiók térképével, de a felhők sugársebesség-mérései azt mutatták, hogy a galaxis össztömege tízszeresével sokkal nagyobb, ami arra utal, hogy valamilyen más típusú tömeg is jelen volt.

Két lehetőség volt: vagy a láthatatlan tömeg molekuláris hidrogénből származik - amely nem bocsát ki 21 cm-es sugárzást -, vagy volt az idősebb csillagok homályos populációja. A molekuláris hidrogénhipotézist nem lehetett kizárni, de egy még nem látott csillagcsoport elképzelése vonzó volt. Egyrészről a HI felhők meglehetősen hasonlóak voltak a galaxisok kialakulásához szükséges ősi felhőkhöz. Ha ezek a HI régiók valóban elsődlegesek lennének, akkor ezek a homályos csillagok milliárd évig támogatták volna őket a gravitációs összeomlás ellen.

5. ábra, Lequex és Viallefond 1980. A galaxis HI régióinak térképe azt mutatja, hogy három (1., 2. és 5. jelölésű) elég nagy ahhoz, hogy feloldódjon, míg a többi pontforrás. Az 1., 4. és 5. régió a legerőteljesebb.

Kép jött létre. A Lyman kontinuum emissziójának összehasonlítása a távoli ultraibolya sugárzással azt mutatta, hogy a csillagképződésnek kb. Néhány millió évvel ezelőtt meg kellett kezdődnie, valószínűleg több hidrogénfelhő ütközése miatt. Ezt megelőzően homályos vörös csillagok képződtek volna kisebb léptékben, de nem elegendő ahhoz, hogy a galaxist dúsítsák, mint a javasolt alacsony oxigéntartalom. Ezért az I. Zwicky 18-ban képződő csillagoknak valóban nagyon közel kell lenniük a III. Populáció csillagaihoz.

Milyen csillagokkal foglalkozunk?

1. ábra, Kehrig et al. 2015. Összetett (hidrogén-alfa + UV + r-sáv) fényes csomók képe a törpe galaxisban, amelyek intenzív hélium-kibocsátást mutatnak.

Az ötlet az elkövetkező néhány évtizedben megragadta az érdeklődést, és a csillagászok érdeklődtek ezen fiatal csillagok természetének meghatározásában. Az egyik csoport (Kehrig és mtsai. 2015) különösen érdekelt annak meghatározásában, hogy milyen típusú hatalmas csillagok tudják a legjobban megmagyarázni a He II λ4686 vonalat, a kemény sugárzás mutatóját és a HII csillagokat képező régiókban forró csillagokat ionizáló anyagot. Néhány lehetséges bűnös volt:

  • Korai típusú Wolf-Rayet csillagok, amelyekről azt gondolják, hogy a csillagképző galaxisokban a He II λ4686 emissziójának nagy részéért felelősek.
  • Sokkok és röntgen-bináris fájlok, amelyeket az extragalaktikus HII régiókban is megtaláltak.
  • Rendkívül fémszegény O csillagok, vagy - egy lépéssel tovább haladva - teljesen fémmentes O csillagok, hasonlóan a III népesség csillagaihoz.

A csoport gyorsan kizárta a Wolf-Rayet csillagokat. A fémszegény szén-Wolf-Rayet csillagok kulcsfontosságú aláírása egyértelműen nyilvánvaló volt a spektrumokban, de a C IV λ1550 vonalon alapuló következtetési szám túl kicsi ahhoz, hogy az összes héliumkibocsátást figyelembe lehessen venni. Hasonlóképpen, a röntgen-bináris lehetőséget semmisítették meg, mivel az egyetlen röntgen-bináris bináris érték túlságosan 100-szoros volt.

2. ábra, Kehrig et al. 2015. A magas Hα és He II λ4686 emissziójú régió kevés átfedést mutat az [OI] λ6300 emisszióval és alacsony [S II] kontraszttel, kizárva a röntgen-sokkok lehetőségét.

Ugyanakkor egy körülbelül tucatnyi fémmentes csillagból álló csoport száz vagy annál nagyobb napelemekkel sikeresen reprodukálhatja a megfigyelt He II λ4686 vonalat. A galaxis északnyugati peremén egy csomó közelében vannak gázzsebek, amelyekben nincs fémek, és megfelelő környezetet biztosítsanak ezeknek a csillagoknak a kialakulásához, bár valószínűleg ott vannak kémiailag dúsított csillagok is. Egyes rendkívül nagy tömegű modellek (~ 300 napelemes tömeg) alternatívát kínálnak ezeknek a fémmentes csillagoknak, ám a korábbi megfigyelések fényében a fémmentes modellek továbbra is vonzóak.

Egyelőre távcsöveink nem képesek felismerni a III. Népesség csillagát. Mindaddig, amíg meg nem valósulnak, még sok mindent megtudhatunk a korai világegyetemről, ha olyan kék kompakt törpe galaxisokat tanulmányozunk, mint I Zwicky 18. Az univerzum első csillagainak alacsony vöröseltolódású, fémmentes analógjai elég közel állnak ahhoz, hogy ma tanulmányozhassuk. Az univerzum legfémszegényebb galaxisa jó hely a kezdéshez.