Przełom w poszukiwaniu najstarszych gwiazd we wszechświecie

Zacznijmy od pytania: jak stary jest wszechświat? Wbrew pozorom to pytanie nieustannie dzieli naukowców. W 2001 roku misja Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) wykonała pomiary temperatury promieniowania reliktowego wraz z jej rozkładem kątowym. Obserwacje wskazywały, że wszechświat ma 13,75 mld lat. Ale w 2019 r. duże zamieszanie spowodowały opublikowane w czasopiśmie „Science" szacunki sugerujące, że wszechświat ma „jedynie" 11,2 miliarda lat. To oznaczałoby, że pewne procesy w rozwoju wszechświata nie mogłyby się wydarzyć ze względu na zwyczajny brak czasu. Na przykład dyskusyjne byłoby powstanie gwiazd Pop III.

Jednak w lipcu 2020 roku przewidywania modelu standardowego potwierdzili amerykańscy naukowcy, którzy wykorzystali do badania najodleglejszych źródeł światła wielki teleskop naziemny Atacama Cosmology Telescope (ACT) w Chile, należący do National Science Foundation. Badacze wyliczyli, że wszechświat ma dokładnie 13,77 miliardów lat. Wyliczenia zgadzały się z pomiarami wykonanymi w 2010 roku przez należący do Europejskiej Agencji Kosmicznej teleskop kosmiczny Plancka. Potwierdzeniem tych wyliczeń mogłaby być obserwacja gwiazd pierwszej generacji, znanych jako gwiazdy populacji III lub Pop III.

Podróż do początków wszechświata

Uważa się, że gwiazdy takie powstały po pierwotnej nukleosyntezie, czyli najwcześniejszym procesie powstawania jąder atomów w wyniku łączenia protonów i neutronów. Proces taki postulowała opublikowana w 1948 roku na łamach „Phisical Review” teoria Alphera-Bethego-Gamowa (zwana również teorią Alfa-Beta-Gamma). Zgodnie z tą teorią przypuszcza się, że hipotetyczne gwiazdy Pop III, których nikt dotychczas nie odkrył, mogły być zbudowane wyłącznie z wodoru i helu z niewielką domieszką litu. Powstały zanim uformowały się galaktyki. Ale dlaczego wzbudzają takie zainteresowanie astrofizyków?

Czytaj więcej

Kosmos

Wszechświat bez ciemnej materii? Nowa hipoteza wzbudza kontrowersje

Dopiero co oswoiliśmy się z paradygmatem istnienia ciemniej materii we wszechświecie, a już pojawiają się nowe badania i hipotezy, które całkowicie odrzucają ten model kosmologiczny. Czy podręczniki do fizyki znowu trzeba będzie pisać od nowa?

Z dwóch zasadniczych powodów. Po pierwsze uważa się, że powstały w tzw. halo ciemniej materii w okresie niemowlęcym wszechświata. Po drugie wybuchy supernowych gwiazd III populacji wzbogaciły materię w pierwiastki ciężkie, co umożliwiło rozpoczęcie formowania się  mniej masywnych gwiazd populacji II. Obserwacja gwiazd III populacji - a w zasadzie ich obrazów z przeszłości, które przez miliardy lat wędrował do naszych obserwatoriów – znacznie poszerzyłaby naszą wiedzę o początkowych procesach tworzenia się materii we wszechświecie i ewolucji gwiazd kolejnych dwóch generacji.  Właściwości gwiazd Pop III bardzo różnią się od gwiazd takich jak nasze Słońce. Były nie tylko niezwykle gorące, miały gigantyczne rozmiary i masę, ale żyły bardzo krótko. Gwiazdy Pop III były przede wszystkim pierwszymi fabrykami, które syntetyzowały większość pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Zatem zawdzięczamy im swoje istnienie.

Najstarsze gwiazdy już się nie ukryją

Nadal są to jednak obiekty hipotetyczne. Jednak nadzieję na empiryczne dowiedzenie ich istnienia dają badania zespołu naukowców pod kierownictwem profesor Jane Lixin DAI z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Hong Kongu (HKU). Opracowali oni nowatorską metodę wykrywania gwiazd populacji III, którą opisali w artykule na łamach magazynu „The Astrophysical Journal Letters”.

Profesor Jane Lixin uważa, że gwiazda Pop III może zostać rozerwana na kawałki przez siłę pływową, jeśli wędruje w pobliżu masywnej czarnej dziury. W przypadku takiego zakłócenia pływowego (TDE) czarna dziura żerując na gwiezdnych pozostałościach wytwarza bardzo jasne rozbłyski. Naukowcy zbadali ten złożony proces fizyczny i wykazali, że te rozbłyski moglibyśmy współcześnie obserwować. A więc to właśnie te unikalne sygnatury rozbłysków TDE można wykorzystać do zidentyfikowania istnienia gwiazd Pop III i zbadania ich właściwości.

„W miarę jak energetyczne fotony przemieszczają się z bardzo odległych krańców wszechświata, skala czasowa rozbłysku zostaje dodatkowo rozciągnięta ze względu na ekspansję Wszechświata. Rozbłyski TDE gwiazd pop III będą zatem widoczne przez bardzo długi okres czasu, co odróżnia je od TDE gwiazd typu słonecznego w pobliskim Wszechświecie” – tłumaczy profesor Jane Dai.

Czytaj więcej

Kosmos

Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata

Dlaczego we wszechświecie materii jest więcej niż antymaterii? To pytanie fundamentalne w wyjaśnieniu zagadki powstania wszystkiego co istnieje. Przypuszcza się, że za odpowiedzią na to pytanie kryją się neutrina.