Εντοπίστηκε αρχέγονο άστρο που αποκαλύπτει τα μυστικά του πρώιμου σύμπαντος (βίντεο)

Οι επιστήμονες υιοθέτησαν τον ρόλο των «κοσμικών αρχαιολόγων» για να ανακαλύψουν ένα σπάνιο άστρο δεύτερης γενιάς, με τεράστια έλλειψη σιδήρου — ουσιαστικά ένα απολίθωμα που καταγράφει τη χημική εξέλιξη του σύμπαντός μας. Όπως ακριβώς η ανακάλυψη τεχνουργημάτων εδώ στη Γη μάς διδάσκει για χαμένες γενιές ανθρώπων, αυτή η παρατήρηση παρέχει απτές αποδείξεις για το πώς η πρώτη γενιά άστρων πέθανε για να εμπλουτίσει χημικά τους διαδόχους της.

Το άστρο δεύτερης γενιάς, ή αλλιώς πληθυσμού ΙΙ (POP II), ανακαλύφθηκε στον νάνο γαλαξία Οκρίβας ΙΙ (Pictor II), που βρίσκεται περίπου 150.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη στον ομώνυμο αστερισμό, χρησιμοποιώντας την Κάμερα Σκοτεινής Ενέργειας (DECam) που είναι τοποθετημένη στο τηλεσκόπιο 4 μέτρων Víctor M. Blanco. Ονομαζόμενο PicII-503, το άστρο έχει μόλις το 1/40.000 του σιδήρου που περιέχεται στον Ήλιο, ο οποίος είναι ένα άστρο τρίτης γενιάς (ή, κάπως μπερδευτικά, POP I). Το γεγονός ότι το PicII-503 έχει τη χαμηλότερη συγκέντρωση σιδήρου που έχει παρατηρηθεί ποτέ πέρα από τον Γαλαξία μας, το καθιστά ένα από τα πιο αρχέγονα άστρα που έχουν ανακαλυφθεί ποτέ.

Ωστόσο, αυτή η έλλειψη δεν είναι το πιο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του PicII-503. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι αυτό το άστρο POP II έχει μια τεράστια υπεραφθονία άνθρακα, με την αναλογία άνθρακα-σιδήρου να είναι πάνω από 1.500 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη αναλογία στον Ήλιο. Αυτή η υπεραφθονία αντικατοπτρίζει τη μοναδική υπογραφή άνθρακα των άστρων με χαμηλό σίδηρο που βρίσκονται στη νεφελώδη εξωτερική άλω του Γαλαξία μας.

«Ανακαλύψεις σαν αυτή αποτελούν κοσμική αρχαιολογία, αποκαλύπτοντας σπάνια αστρικά απολιθώματα που διατηρούν τα αποτυπώματα των πρώτων άστρων του σύμπαντος», δήλωσε ο Chris Davis, Διευθυντής Προγράμματος του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών για το NOIRLab.

Ένα είδος μαγείας

Τα πρώτα άστρα στο σύμπαν (POP III) γεννήθηκαν όταν η χημική αφθονία του σύμπαντος δεν εκτεινόταν πέρα από το υδρογόνο, το ήλιο και μια ελάχιστη ποσότητα βαρύτερων στοιχείων, τα οποία οι αστρονόμοι ονομάζουν συλλογικά «μέταλλα». Αυτό σήμαινε ότι και τα άστρα POP III κυριαρχούνταν από υδρογόνο με λίγο ήλιο και ελάχιστα μέταλλα. Τα άστρα αυτά σφυρηλάτησαν τον πρώτο άνθρακα και σίδηρο στους πυρήνες τους – υλικό που διασκορπίστηκε στο διαστρικό μέσο όταν έγιναν σουπερνόβα και εξερράγησαν στο τέλος της ζωής τους.

Τα διαστρικά νέφη αερίου και σκόνης, εμπλουτισμένα με αυτά τα μέταλλα, τελικά ψύχθηκαν και κατέρρευσαν για να γεννήσουν τη δεύτερη γενιά άστρων. Τα άστρα αυτά ήταν πιο πλούσια σε μέταλλα χάρη στη συνεισφορά των βαρέων στοιχείων από τους προκατόχους τους. Αυτό κάνει τα άστρα POP II να μοιάζουν με χρονοκάψουλες που καταγράφουν ένα σημαντικό στάδιο του χημικού εμπλουτισμού του σύμπαντος.

«Η ανακάλυψη ενός άστρου που διατηρεί αναμφίβολα τα βαρέα μέταλλα από τα πρώτα άστρα βρισκόταν στα όρια αυτού που θεωρούσαμε δυνατό, δεδομένης της εξαιρετικής σπανιότητας αυτών των αντικειμένων», ανέφερε ο επικεφαλής της ομάδας Anirudh Chiti από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. «Με τη χαμηλότερη αφθονία σιδήρου που έχει προκύψει ποτέ σε οποιονδήποτε εξαιρετικά αμυδρό νάνο γαλαξία, το PicII-503 προσφέρει ένα άνευ προηγουμένου παράθυρο στην αρχική παραγωγή στοιχείων μέσα σε ένα αρχέγονο σύστημα».

Όντας το πρώτο επιβεβαιωμένο παράδειγμα άστρου POP II που βρέθηκε σε έναν αμυδρό νάνο γαλαξία, το PicII-503 εντοπίστηκε ως ένα εξαιρετικά φτωχό σε μέταλλα άστρο μέσω των δεδομένων που συλλέχθηκαν από την έρευνα MAGIC (Mapping the Ancient Galaxy in CaHK) της DECam. Αυτή η παρατηρησιακή προσπάθεια 54 νυχτών σχεδιάστηκε με ρητό σκοπό τον εντοπισμό των παλαιότερων και πιο χημικά πρωτόγονων άστρων στον Γαλαξία μας και στους νάνους γαλαξίες συνοδούς του.

«Χωρίς τα δεδομένα από την MAGIC, θα ήταν αδύνατο να απομονωθεί αυτό το άστρο ανάμεσα στα εκατοντάδες άλλα στην περιοχή του εξαιρετικά αμυδρού νάνου γαλαξία Pictor II», σημείωσε ο Chiti.

Ο Chiti και οι συνεργάτες του συνδύασαν τα δεδομένα της MAGIC με παρατηρήσεις από το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) στην έρημο Ατακάμα της βόρειας Χιλής και το Τηλεσκόπιο Baade Magellan, για να ανακαλύψουν τις χαμηλές αφθονίες σιδήρου και ασβεστίου του PicII-503 — τις χαμηλότερες που έχουν παρατηρηθεί πέρα από τον δικό μας γαλαξία. Με τη σειρά του, αυτό αποκάλυψε ότι το PicII-503 αποτελεί την πρώτη καταγραφή χημικού εμπλουτισμού που βρέθηκε ποτέ σε νάνο γαλαξία.

Μια πιθανή εξήγηση για την εντυπωσιακά χαμηλή αναλογία σιδήρου προς άνθρακα του PicII-503 είναι ότι όταν τα άστρα POP III έγιναν σουπερνόβα, οι εκρήξεις αυτές ήταν σχετικά χαμηλής ενέργειας. Αυτό θα σήμαινε ότι ενώ ελαφρύτερα στοιχεία, όπως ο άνθρακας, εκτοξεύτηκαν στο διαστρικό μέσο, τα βαρέα στοιχεία, όπως ο σίδηρος, έπεσαν πίσω στα συντρίμμια του σουπερνόβα.

Το γεγονός ότι το PicII-503 βρίσκεται σε έναν από τους μικρότερους νάνους γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, με αντίστοιχα χαμηλή βαρυτική επιρροή, υποστηρίζει την ιδέα ότι τα άστρα POP III πέθαιναν σε εκρήξεις σουπερνόβα χαμηλής ενέργειας.

«Αυτό που με συναρπάζει περισσότερο είναι ότι παρατηρήσαμε ένα αποτέλεσμα της αρχικής παραγωγής στοιχείων σε έναν αρχέγονο γαλαξία, κάτι που αποτελεί μια θεμελιώδη παρατήρηση!» δήλωσε ο Chiti. «Συνδέεται επίσης άμεσα με την υπογραφή που έχουμε δει στα άστρα της άλω του Γαλαξία μας με τη χαμηλότερη μεταλλικότητα, συνδέοντας την προέλευσή τους και τη φύση τους που έχει εμπλουτιστεί από τα πρώτα άστρα».

Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύθηκε τη Δευτέρα (16 Μαρτίου) στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy.