Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak by se vyvíjely hvězdy o hmotnosti mezi 1 000 a 10 000 hmotností Slunce a jaké prvky by produkovaly?
Pomocí Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) objevil astronomové chemické stopy gigantických hvězd patřících mezi první, které se vytvořily po velkém třesku.
Dvě desetiletí astronomové přemýšleli nad tím, jak mohly supermasivní černé díry – jedny z nejjasnějších objektů ve vesmíru – existovat už méně než miliardu let po velkém třesku. Normální hvězdy by prostě nemohly vytvořit tak masivní černé díry dostatečně rychle. (Poznámka: respektive by černé díry z hvězdné velikosti nestačily tak rychle vyrůst.)
Nyní pomocí Webbova dalekohledu vědci našli první přesvědčivý důkaz řešící (údajně řešící) tuto záhadu: v raném vesmíru existovaly monstrózní hvězdy s hmotností 1 000 až 10 000krát větší než naše Slunce.
Průlom přišel po zkoumání chemických stop v galaxii GS 3073. Studie vedená University of Portsmouth a Center for Astrophysics (CfA) na Harvard and Smithsonian objevila extrémní nerovnováhu dusíku a kyslíku, kterou nelze vysvětlit žádným známým typem hvězdy.
V roce 2022 vědci publikovali práci, podle které supermasivní hvězdy se přirozeně formovaly ve vzácných, turbulentních proudech studeného plynu v raném vesmíru, což by vysvětlovalo, jak mohly kvazary (mimořádně jasné černé díry) existovat méně než miliardu let po velkém třesku. „Náš nejnovější objev pomáhá vyřešit 20 let starou kosmickou záhadu,“ uvádí spoluautor nové studie Daniel Whalen z Univerzity v Portsmouthu. „Díky GS 3073 máme první pozorovaný důkaz, že tyto obří hvězdy opravdu existovaly.“ Měly přitom velmi krátký život, zářily jen asi čtvrt milionu let.
Klíčem k objevu bylo měření poměru dusíku k kyslíku v GS 3073. Poměr dusíku ke kyslíku je v této galaxii 0,46 – mnohem vyšší, než lze vysvětlit jakýmkoli známým typem hvězdy nebo hvězdné exploze.
Devesh Nandal z Institutu pro teorii a výpočty CfA vysvětlil: „Chemické složení funguje jako kosmický otisk prstu a vzorec v GS3073 se liší od všeho, co mohou vytvořit běžné hvězdy. Zdejší 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 formovat rané galaxie a mohly být počátkem dnešních supermasivních černých děr.“
Vědci modelovali, jak by se vyvíjely hvězdy o hmotnosti mezi 1 000 a 10 000 hmotností Slunce a jaké prvky by produkovaly. Objevili specifický mechanismus, který vytváří obrovské množství dusíku (viz obrázek):
1. Obrovské hvězdy spalují helium ve svých jádrech a produkují uhlík.
2. Uhlík uniká do okolní vrstvy, kde se spaluje vodík.
3. Uhlík fúzuje s vodíkem a vytváří dusík prostřednictvím cyklu uhlík/dusík/kyslík (CNO).
4. Konvekční proudy distribuují dusík po celé hvězdě.
5. Nakonec se tento materiál bohatý na dusík uvolňuje do vesmíru a obohacuje okolní plyn.
Tento proces pokračuje po miliony let během fáze spalování helia hvězdou a vytváří přebytek dusíku pozorovaný v GS 3073.
Modely také předpovídají, co se stane, když tyto obří hvězdy zemřou. Nevybuchnou, ale místo toho se zhroutí přímo do masivních černých děr o hmotnosti tisíců slunečních hmot.
Zajímavé je, že GS 3073 obsahuje ve svém středu aktivně se živící černou díru – potenciálně pozůstatek jedné z těchto supermasivních prvních hvězd. Pokud se nové výsledky potvrdí, vyřešilo by to hned dvě záhady – odkud se vzal dusík a jak vznikla tato černá díra.
Studie také zjistila, že dusíková stopa se objevuje pouze v určitém rozmezí hmotností. Hvězdy menší než 1 000 hmotností Slunce nebo větší než 10 000 hmotností Slunce nevytvářejí správný chemický vzorec pro tuto stopu, což naznačuje „ideální bod“ pro tento typ obohacení.
Vědci předpovídají, že JWST najde více galaxií s podobným přebytkem dusíku, jak bude pokračovat v průzkumu raného vesmíru. Každý nový objev by posílil argumenty pro existenci těchto ultratěžkých prvních hvězd.
Devesh Nandal et al, 1000–10,000M⊙Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 atz= 5.55, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae1a63
Zdroj: University of Portsmouth / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Poznámky PH:
Jiné vysvětlení zní, že nejstarší viditelné obří černé díry nevznikly z hvězd.
A z hmotnosti řekněme 10 000 Sluncí by už černá díra stihla dostatečně rychle vyrůst do superobří velikosti?
