Komunikat prasowy

Najlepszy dowód obserwacyjny dotyczący pierwszej generacji gwiazd we Wszechświecie

VLT odkrył CR7, najjaśniejszą odległą galaktykę i oznaki gwiazd populacji III

17 czerwca 2015

Astronomowie korzystający z należącego do ESO teleskopu VLT odkryli najjaśniejszą jak dotąd galaktykę we wczesnym Wszechświecie i natrafili na silne dowody na występowanie w niej pierwszej generacji gwiazd. Te masywne, jasne i do tej pory tylko hipotetyczne obiekty wytworzyły pierwsze ciężkie pierwiastki – cegiełki potrzebne do powstawania gwiazd znanych nam dzisiaj, okrążających je planet i życia takiego jakie znamy. Nowo odkryta galaktyka, oznaczona CR7, jest trzykrotnie jaśniejsza niż najjaśniejsza odległa galaktyka znana do tej pory.

Astronomowie od dawna prowadzili teoretyczne rozważania na temat istnienia pierwszej generacji gwiazd – znanych jako gwiazdy III populacji – które narodziły się z pierwotnej materii po Wielkim Wybuchu [1]. Wszystkie cięższe pierwiastki chemiczne – takie jak tlen, azot, węgiel i żelazo, które są kluczowe dla życia – zostały wytworzone we wnętrzach gwiazd. Oznacza to, że pierwsze gwiazdy musiały uformować się tylko z pierwiastków istniejących przed gwiazdami: wodoru, helu i śladowych ilości litu.

Te gwiazdy III populacji były olbrzymie – kilkaset razy, a nawet tysiące razy bardziej masywne niż Słońce – rozpalały się i przemijały – wybuchając jako supernowe po zaledwie około dwóch milionach lat. Do tej pory poszukiwania fizycznego dowodu ich istnienia nie dawały jednoznacznych rezultatów [2].

Zespół kierowany przez Davida Sobrala z Institute of Astrophysics and Space Sciences, Faculty of Sciences, University of Lisbon w Portugalii oraz z Leiden Observatory w Holandii, wykorzystał należący do ESO Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope - VLT), aby spojrzeć daleko w dawny Wszechświat w epokę znaną jako rejonizacja, około 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zamiast prowadzić wąskie i głębokie badania małego obszaru nieba, naukowy poszerzyli swoje analizy i przeprowadzili najobszerniejszy jak dotąd przegląd bardzo odległych galaktyk.

Te rozległe badania zostały przyprowadzone za pomocą VLT oraz przy użyciu teleskopów z W. M. Keck Observatory, teleskopu Subaru, a także należącego do NASA/ESA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Zespół odkrył – i potwierdził – liczne zaskakująco jasne i bardzo młode galaktyki. Jedna z nich, oznaczona jako CR7 [3], jest wyjątkowo rzadkim obiektem, dużo jaśniejszym niż jakakolwiek galaktyka obserwowana w tej epoce Wszechświata [4]. Już dzięki odkryciu CR7 oraz innych jasnych galaktyk, badania odniosły sukces, ale dalsza analiza dostarczyła jeszcze kolejnych fascynujących nowości.

Instrumenty X-shooter i SINFONI na teleskopie VLT znalazły emisję silnie zjonizowanego helu w CR7, ale – co jest kluczowe i zaskakujące – brak oznak jakichkolwiek cięższych pierwiastków w jasnym fragmencie galaktyki. Oznacza to, że naukowcy odkryli pierwszy mocny dowód na istnienie gromad gwiazd III populacji, które zjonizowały gaz w galaktyce we wczesnym Wszechświecie [5].

„Odkrycie już na starcie przekroczyło nasze oczekiwania,” powiedział David Sobral „gdyż nie spodziewaliśmy się odnalezienia tak jasnej galaktyki. Następnie, odkrywając krok po kroku naturę CR7, zrozumieliśmy, że nie tylko znaleźliśmy najjaśniejszą jak dotąd odległą galaktykę, ale także zaczęliśmy zdawać sobie sprawę, że posiada każdą z charakterystyk oczekiwanych dla gwiazd III populacji. Gwiazdy te były pierwszymi, które wytwarzały ciężkie atomy, które ostatecznie pozwoliły nam zaistnieć. Nie ma nic bardziej fascynującego niż taki wynik.”

Wewnątrz CR7 odnaleziono bardziej niebieskie, a czasem bardziej czerwone gromady gwiazd, wskazujące, że powstawanie gwiazd III populacji następowało w falach – tak jak to było przewidywane. To co badacze zaobserwowali bezpośrednio, było ostatnią falą gwiazd III populacji, sugerują, iż tego rodzaju gwiazdy powinny być łatwiejsze do odnalezienie niż do tej pory sądzono: występują pośród zwykłych gwiazd, w jaśniejszych galaktykach, a nie tylko w najwcześniejszych, najmniejszych i najsłabszych, tak słabych, że niezmiernie trudno je badać.

Jorryt Matthee, drugi auro publikacji, podsumował: „Zawsze zastanawiałem się skąd pochodzimy. Nawet jako dziecko chciałem wiedzieć skąd pochodzą pierwiastki: wapń w moich kościach, węgiel w moich mięśniach, żelazo w mojej krwi. Dowiedziałem się, że zostały one uformowane w bardzo wczesnych początkach Wszechświata, przez pierwszą generację gwiazd. Dzięki naszemu odkryciu zaczynamy po raz pierwszy naprawdę obserwować tego typu obiekty.”

Planowane są dalsze obserwacje przy użyciu VLT, ALMA oraz Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby potwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że zaobserwowano gwiazdy III populacji oraz aby odnaleźć i zidentyfikować kolejne ich przykłady.

Uwagi

[1] Nazwa “populacja III” wynika z faktu, że astronomowie sklasyfikowali już gwiazdy Drogi Mlecznej jako  “populacja I” (gwiazdy takie jak Słońce, bogate w cięższe pierwiastki i tworzące dysk) oraz „populacja II” (starsze gwiazdy, z mniejszą zawartości ciężkich pierwiastków, występujące w zgrubieniu galaktycznym i halo Drogi Mlecznej, a także w gromadach kulistych).

[2] Poszukiwania tych gwiazd są bardzo trudne: zapewne żyły bardzo krótko i świeciły w czasach gdy Wszechświat był bardzo nieprzezroczysty dla ich światła. Poprzednie badania obejmują m.in.: Nagao, et al., 2008, w których nie wykryto zjonizowanego helu; De Breuck et al., 2000, w których wykryto zjonizowany hel, ale obok węgla i tlenu, a także wyraźnych oznak aktywnego jądra galaktyki (AGN); oraz Cassata et al., 2013, w których wykryto zjonizowany hel, ale o bardzo małej szerokości równoważnej, czyli małym natężeniu, wykryto także węgiel i tlen.

[3] CR7 jest skrótem od COSMOS Redshift 7, pomiaru miejsca w kosmicznej skali czasu (przesunięcia ku czerwieni). Im większe przesunięcie ku czerwieni (redshift), tym odleglejszą galaktykę widzimy i tym dalej patrzymy w historię Wszechświata. A1689-zD1, jedna z najstarszych zaobserwowanych galaktyk, ma na przykład przesunięcie ku czerwieni równe 7,5.

Inspiracją dla skrótu był słynny portugalski piłkarz, Cristiano Ronaldo, znany także jako CR7.

[4] CR7 jest trzy razy jaśniejsza niż poprzednia rekordzistka, Himiko, która wydawała się wyjątkowa.

[5] Zespół rozważał dwie alternatywne teorie: że źródło światła pochodziło albo AGN-u albo od gwiazd Wolfa–Rayeta. Brak ciężkich pierwiastków oraz inne dowody silnie zaprzeczają obu tym teoriom. Naukowcy rozważali także, że źródłem może być bezpośrednie zapadnięcie się czarnej dziury, czyli obiektu, który sam w sobie jest skrajnie egzotyczny i czysto teoretyczny. Brak silnych linii emisyjnych i fakt, że jasności wodoru i helu były znacznie większe niż emisja spodziewana dla tego rodzaj czarnej dziury, wskazują, że także ta alternatywa nie jest prawdopodobna. Brak emisji rentgenowskiej jeszcze bardziej zmniejsza to prawdopodobieństwo, ale wymagane są dodatkowe obserwacje.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt. “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, D. Sobral, et al., przyjętym do druku w The Astrophysical Journal.

Skład zespołu badawczego: David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lizbona, Portugalia; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lizbona, Portugalia; Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, Holandia), Jorryt Matthee (Leiden Observatory), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, Kalifornia, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Switzerland; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, Francja), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, Kalifornia, USA), Huub J. A. Röttgering (Leiden Observatory), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugalia) oraz Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, Kalifornia, USA).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop E-ELT (European Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia VLT

Kontakt

David Sobral
Universidade de Lisboa and Leiden University
Lisbon / Leiden, Portugal / The Netherlands
Tel.: +351 916 700 769
E-mail: sobral@iastro.pt

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

João Retrê
Coordinator, Science Communication and Outreach Office, Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço
Lisbon, Portugal
Tel.: +351 21 361 67 49
E-mail: jretre@iastro.pt

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych