Για πάνω από 20 χρόνια, οι αστρονόμοι προσπαθούν να δώσουν λύση σε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια σχετικά με το πρώιμο σύμπαν. Οι μέχρι τώρα παρατηρήσεις δείχνουν πως οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες του Σύμπαντος, εμφανίστηκαν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια από την Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό είναι περίεργο, καθώς έρχεται σε αντίθεση με την συμβατική αστρική εξέλιξη, που δε μπορεί να παράγει τόσο μεγάλα αντικείμενα, τόσο γρήγορα. Τα πιο συνηθισμένα αστέρια δε μεγαλώνουν αρκετά ή δεν εξελίσσονται αρκετά γρήγορα για να δημιουργήσουν μαύρες τρύπες αυτής τη κλίμακας και μάλιστα σε τόσο σύντομο κοσμικό χρονικό πλαίσιο.
Τώρα όμως έρχεται το James Webb και παρέχει μια πιο πιθανή απάντηση για τον σχηματισμό τους. Μια διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει πως έχει τα πρώτα ισχυρά στοιχεία, πως εξαιρετικά ογκώδη αρχέγονα αστέρια υπήρχαν κάποτε στο νεαρό σύμπαν. Μιλάμε για τα λεγόμενα «αστέρια τέρατα». που πιστεύεται πως έφταναν σε μάζα μεταξύ 1.000 και 10.000 φορές τη μάζα του Ήλιου. Αυτομάτως αυτό τα κάνει τα μεγαλύτερα αστέρια που έχουν υπάρξει και που έχουμε δει ποτέ.
Βρέθηκαν χημικά στοιχεία για αρχέγονους γίγαντες που σχημάτισαν τις πρώτες μαύρες τρύπες
Η ανακάλυψη του James Webb επικεντρώνεται σε έναν πολύ μακρινό γαλαξία, γνωστό με το όνομα GS 3073. Το James Webb μελέτησε τη σύνθεση του γαλαξία και οι επιστήμονες κατάφεραν να αποκαλύψουν μια εντυπωσιακή ένδειξη για το τι είδους αστέρια υπήρχαν εκεί κάποτε.
Η έρευνα είχε επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Portsmouth στην Αγγλία, σε συνεργασία με το Κέντρο Αστροφυσικής (CfA), το Harvard και Smithsonian στις ΗΠΑ. Η έρευνά τους εντόπισε μια ασυνήθιστα μεγάλη ανισορροπία μεταξύ αζώτου και οξυγόνου. Όμως καμία γνωστή κατηγορία συνηθισμένων αστέρων δε μπορεί να δημιουργηθεί από αυτό το χημικό μοτίβο.
Μάλιστα, το εύρημα του James Webb υποστηρίζει μια άλλη πρόβλεψη που είχε προταθεί το 2022. Πρόκειται για μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, στην οποία οι ερευνητές πρότειναν πως τα υπερμεγέθη αστέρια μπορούν να δημιουργηθούν στο πρώιμο σύμπαν μέσα σε πυκνά, ταραχώδη ρεύματα ψυχρού αερίου. Τέτοια αστέρια που δημιουργούνται σε αυτό το περιβάλλον, μπορούν να καταρρεύσουν πολύ γρήγορα και να δημιουργήσουν τεράστιες μαύρες τρύπες, προσφέροντας έναν τρόπο για την δημιουργία αυτών των γιγάντων, όπως τα κβάζαρ (εξαιρετικά φωτεινές μαύρες τρύπες) λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη.
«Η τελευταία μας ανακάλυψη βοηθά στην επίλυση ενός 20ετούς κοσμικού μυστηρίου», δήλωσε ο Δρ. Daniel Whalen από το Ινστιτούτο Κοσμολογίας και Βαρύτητας του Πανεπιστημίου του Portsmouth. «Με το GS 3073, έχουμε τα πρώτα παρατηρησιακά στοιχεία ότι υπήρχαν αυτά τα γιγάντια αστέρια».
«Αυτοί οι κοσμικοί γίγαντες θα είχαν καεί λαμπρά για σύντομο χρονικό διάστημα πριν καταρρεύσουν σε τεράστιες μαύρες τρύπες, αφήνοντας πίσω τους τις χημικές υπογραφές που μπορούμε να ανιχνεύσουμε δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα. Λίγο σαν τους δεινόσαυρους στη Γη, ήταν τεράστιοι και πρωτόγονοι. Και είχαν σύντομη ζωή, ζώντας μόνο για ένα τέταρτο του εκατομμυρίου ετών, ένα κοσμικό ανοιγόκλεισμα του ματιού».
Η υπογραφή του αζώτου αποκαλύπτει αστρική προέλευση
Το σημαντικότερο στοιχείο προήλθε από την ανάλυση της χημικής αναλογίας μεταξύ αζώτου και οξυγόνου στο εσωτερικό του GS 3073. Οι μετρήσεις δείχνουν αναλογία αζώτου προς οξυγόνο 0,46, ένα επίπεδο πολύ πέρα από αυτό που θα περίμεναν οι αστρονόμοι από οποιοδήποτε γνωστό τύπο αστέρα ή αστρικής έκρηξης.
Ο Devesh Nandal από το Ινστιτούτο Θεωρίας και Υπολογισμών του CfA, αναφέρει: «Οι χημικές αφθονίες λειτουργούν σαν ένα κοσμικό δακτυλικό αποτύπωμα και το μοτίβο στο GS3073 είναι διαφορετικό από οτιδήποτε μπορούν να παράγουν τα συνηθισμένα αστέρια. Το ακραίο άζωτό του ταιριάζει μόνο με ένα είδος πηγής που γνωρίζουμε, τα αρχέγονα αστέρια χιλιάδες φορές πιο ογκώδη από τον ήλιο μας. Αυτό μας λέει ότι η πρώτη γενιά αστεριών περιελάβανε πραγματικά υπερμεγέθη αντικείμενα που βοήθησαν στη διαμόρφωση των πρώιμων γαλαξιών και μπορεί να δημιούργησαν τις σημερινές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες».
Τα μοντέλα μπορούν να εξηγήσουν τον εμπλουτισμό με άζωτο
Οι επιστήμονες προσομοίωσαν πως αναπτύσσονται άστρα με μάζες 1.000 και 10.000 φορές μεγαλύτερες από τον Ήλιο, αλλά και ποια χημικά στοιχεία θα παρήγαγαν κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Μέσα από τα μοντέλα ανακαλύφθηκε μια διαδικασία η οποία είναι ικανή να παράγει τις ασυνήθιστα μεγάλες ποσότητες αζώτου που παρατηρούμε. Συγκεκριμένα:
- Μέσα σε αυτά τα τεράστια αστέρια, η σύντηξη ηλίου στον πυρήνα παράγει άνθρακα.
- Μέρος αυτού του άνθρακα κινείται προς τα έξω, σε μια γύρω περιοχή όπου λαμβάνει χώρα σύντηξη υδρογόνου.
- Σε αυτό το στρώμα, ο άνθρακας αντιδρά με υδρογόνο για να σχηματίσει άζωτο μέσω του κύκλου άνθρακα/αζώτου/οξυγόνου (CNO).
- Η ισχυρή συναγωγή στο εσωτερικό του αστεριού διαχέει το νεοσχηματισμένο άζωτο σε όλο το εσωτερικό του.
- Με την πάροδο του χρόνου, αυτό το πλούσιο σε άζωτο υλικό αποβάλλεται στο διάστημα, εμπλουτίζοντας το αέριο γύρω από το αστέρι.
Αυτή η ακολουθία συνεχίζεται για εκατομμύρια χρόνια κατά τη διάρκεια του σταδίου καύσης ηλίου στη ζωή του αστεριού. Η διαδικασία αυτή αυξάνει σταθερά τα ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα αζώτου που παρατηρούνται τώρα στο GS 3073.
Η κατάρρευση σε υπερμεγέθης μαύρες τρύπες και τα αστρικά υπολείμματα
Τα μοντέλα δημοσιεύθηκαν στον Astrophysical Journal Letters και περιγράφουν την τύχη αυτών των απίστευτα μεγάλων άστρων, όταν εξαντλήσουν τα καύσιμά τους. Τόσο μεγάλα αστέρια όμως, αντί να φτάσουν στο τέλος της ζωής τους μέσα από μια τρομερά βίαιη έκρηξη supernova, καταρρέουν απευθείας προς τα μέσα σύμφωνα με τις προσομοιώσεις. Οι μαύρες τρύπες αυτές είναι υπερμεγέθεις και μπορούν να φτάσουν αρκετές χιλιάδες ηλιακές μάζες.
Όμως οι παρατηρήσεις του GS 3073 συμπληρώνει ένα ακόμα ενδιαφέρον κομμάτι στο πάζλ. Ο γαλαξία διαθέτει μια ενεργά τροφοδοτούμενη μαύρη τρύπα στο κέντρο του, που είναι το επιζών υπόλειμμά από αυτά τα υπερμεγέθη πρώιμα αστέρια. Στο μέλλον ελπίζουμε οι παρατηρήσεις να επιβεβαιώσουν αυτή τη σύνδεση, καθώς θα βοηθούσε στην εξήγηση αυτής της ασυνήθιστης υπογραφής αζώτου στον GS 3073, όπως και της προέλευσης της μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία.
Γιατί ο ανεφοδιασμός ενός πυρηνικού υποβρυχίου διαρκεί χρόνια
Η μελέτη δείχνει επίσης ότι αυτό το χημικό μοτίβο εμφανίζεται μόνο σε ένα στενό εύρος αστρικών μαζών. Τα αστέρια μικρότερα από 1.000 ηλιακές μάζες ή μεγαλύτερα από 10.000 ηλιακές μάζες δεν παράγουν την ίδια πλούσια σε άζωτο υπογραφή. Αυτό υποδηλώνει ότι μόνο τα αστέρια εντός αυτού του συγκεκριμένου παραθύρου μάζας δημιουργούν τις συνθήκες που απαιτούνται για αυτό το είδος χημικού εμπλουτισμού.
Το James Webb ανοίγει ένα ακόμα παράθυρο στην κοσμική αυγή
Αυτές οι παρατηρήσεις του James Webb ανοίγουν ένα παράθυρο στην πρώιμη εποχή του σύμπαντος, όταν άρχισε να παίρνει την μορφή που βλέπουμε σήμερα. Τα πρώτα εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι γνωστά σαν «Κοσμικοί Σκοτεινοί Αιώνες», μια εποχή που άρχισαν να σχηματίζονται τα πρώτα αστέρια και άρχισαν να μετατρέπουν τα απλά στοιχεία του νεαρού σύμπαντος, στο σύνθετο χημικό μείγμα που βλέπουμε σήμερα, μέσω της σύντηξης που γίνεται στον πυρήνα των άστρων.
Αυτός είναι άλλωστε και ο στόχος του James Webb Space Telescope, που εκτοξεύθηκε για να μας ξεκλειδώσει μερικά από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος. Τώρα, οι επιστήμονες προσπαθούν να εντοπίσουν περισσότερους αρχέγονους γαλαξίες που εμφανίζουν παρόμοια υπερβολικά ποσοστά αζώτου. Κάθε φορά που θα ανιχνεύεται ένας γαλαξίας παρόμοιος με τον GS 3073, θα έχουμε μια ακόμα απόδειξη πως τα υπερμεγέθη αστέρια του πρώιμου σύμπαντος, έπαιξαν πολύ σημαντικό ρόλο στην διαμόρφωση των πρώτων γαλαξιών και στη δημιουργία των υπερμεγεθών μαύρων τρυπών που βλέπουμε στα κέντρα των γαλαξιών σήμερα.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal Letters.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
