Po více než dvě desetiletí si astronomové lámali hlavy nad tím, jak supermasivní černé díry (jedny z nejjasnějších objektů ve vesmíru) mohly existovat méně než miliardu let po Velkém třesku. Běžné hvězdy jednoduše nemohly vytvořit tak masivní černé díry dostatečně rychle. Nyní mezinárodní tým vědců využil data z Teleskopu Jamese Webba a našel v nich první přesvědčivý důkaz, který řeší tuhle kosmickou záhadu: v mladém vesmíru existovaly obří hvězdy, které dostaly v angličtině přezdívku „monster stars“, protože měly hmotnost jako 1 000 až 10 000 Sluncí (M⊙).

Průlom přinesl průzkum chemických signatur v galaxii označované GS 3073. Studii vedly anglická University of Portsmouth a Center for Astrophysics (CfA) na Harvardu a Smithsonian v USA. Odborníci v datech objevili extrémní nerovnováhu poměru dusíku vůči kyslíku, která se nedá vysvětlit žádným známým druhem hvězdy. V roce 2022 vědci publikovali v časopisu Nature svou práci, ve které predikovali, že se supermasivní hvězdy formovaly ve vzácných, turbulentních proudech chladného plynu v mladém vesmíru, čímž vysvětlili, jak kvasary (mimořádně jasné černé díry) mohly existovat méně než miliardu let po Velkém třesku. „Náš nejnovější objev pomohl vyřešit dvacet let starou kosmickou záhadu,“ říká Daniel Whalen z Institute of Cosmology and Gravitation na University of Portsmouth a dodává: „S GS 3073 máme první pozorovaný důkaz, že tyto „monster stars“ existovaly. Tito kosmičtí obři by krátce zářili, než by se zhroutili do obrovských černých děr a zanechali za sebou chemické stopy, které můžeme detekovat miliardy let později. Trochu jako dinosauři na Zemi – byli obrovští a primitivní. A měli krátký život, žili jen čtvrt milionu let – což je v kosmickém měřítku pouhý okamžik.“

Klíčem k objevu bylo měření poměru dusíku vůči kyslíku v GS 3073. Ukázalo se, že tato galaxie má tento poměr 0,46, což je mnohem vyšší hodnota, než jaká může být vysvětlena jakýmkoliv známým typem hvězd, či hvězdných explozí. Devesh Nandal z Institute for Theory and Computation z Center for Astrophysics vysvětluje: „Chemické složení působí jako kosmický otisk prstu a vzorec v GS3073 se nepodobá ničemu, co by mohly vytvořit běžné hvězdy. Jeho extrémní obsah dusíku odpovídá pouze jednomu druhu zdroje, který známe – pravěkým hvězdám, které jsou tisíckrát hmotnější než naše Slunce. To nám říká, že první generace hvězd zahrnovala skutečně supermasivní objekty, které pomohly utvářet rané galaxie a mohly být původcem dnešních supermasivních černých děr.“ Výzkumníci modelovali, jak by se hvězdy s hmotností 1 000 až 10 000 slunečních hmotností (M⊙) vyvíjely a jaké prvky by produkovaly. Objevili specifické mechanismy, které vytvářejí masivní množství dusíku.

1. Tyto obrovské hvězdy ve svých jádrech „spalují“ helium a vytvářejí tak uhlík.
2. Uhlík proniká do okolních vrstev, kde se „spaluje“ vodík.
3. Uhlík se spojí s vodíkem za vzniku dusíku prostřednictvím CNO cyklu (carbon/nitrogen/oxygen = uhlík / dusík / kyslík)
4. Konvektivní proudy distribuují dusík po celé hvězdě
5. Nakonec se tento materiál bohatý na dusík uvolňuje do vesmíru a obohacuje okolní plyn.

Celý proces pokračuje po miliony let během fáze, kdy hvězda spaluje helium, čímž vznikají přebytky dusíku pozorované v GS 3073. Modely, které byly publikovány v časopise Astrophysical Journal Letters, také předvídají, co se s „monster stars“ stane na konci jejich života. Nevybuchnou, ale namísto toho se zhroutí přímo do černé díry vážící několik tisíc M⊙. Zajímavé je, že GS 3073 obsahuje ve svém jádru aktivní černou díru. Potenciálně se může jednat o pozůstatek jedné z těchto prvních supermasivních hvězd. Pokud se to potvrdí, šlo by o vyřešení dvou záhad najednou – kde se vzalo tolik dusíku a jak se zformovala černá díra.

Studie také zjistila, že se signatury dusíku objevují pouze ve specifickém rozhraní hmotností. Hvězdy menší než 1 000 M⊙, ale i hvězdy těžší než 10 000 M⊙ neprodukují potřebný chemický vzor pro tuto signaturu, což naznačuje existenci „ideálního prostoru“ pro tento typ obohacení. Tyto poznatky otevírají nové okno do prvních pár stovek milionů let vesmíru. Tomuto období astronomové říkají „Kosmický temný věk“, kdy se první hvězdy zažehly a začaly transformovat jednoduchou chemii mladého vesmíru do bohaté palety prvků, které známe dnes. Výzkumníci předpovídají, že JWST najde více galaxií s podobným přebytkem dusíku, jelikož pokračuje v průzkumu mladého vesmíru. Každý nový objev by přitom posílíl argumenty pro existenci těchto ultramasivních prvních hvězd.

Přeloženo z:
https://www.port.ac.uk/

Zdroje obrázků:
https://www.port.ac.uk/…/Monster%20stars%20PR%20credit%20Devesh%20Nandal%20at%20Harvard.jpg.webp?itok=JCg7nJwD
https://content.cld.iop.org/journals/2041-8205/994/1/L11/revision1/apjlae1a63f2_hr.jpg
https://content.cld.iop.org/journals/2041-8205/994/1/L11/revision1/apjlae1a63f1_hr.jpg