JWST možda vidi prve zvezde u svemiru: misteriozna galaksija LAP1-B

Astronomi već decenijama love prvu generaciju zvezda – takozvanu Populaciju III, zvezde nastale neposredno posle Velikog praska, od skoro čistog vodonika i helijuma. Te zvezde su toliko masivne i kratkog života da odavno ne postoje, pa ih ne možemo “uhvatiti na delu” – samo njihove tragove u svetlosti vrlo mladih galaksija.

Sada je James Webb Space Telescope (JWST) možda napravio upravo taj istorijski korak. U ultra-slaboj galaksiji LAP1-B, udaljenoj oko 13 milijardi svetlosnih godina, tim astronoma je pronašao signale koji odgovaraju uslovima za Populaciju III zvezda. Još nije reč o definitivnoj potvrdi, ali je ovo najozbiljniji kandidat do sada.

Dodatni “twist”: LAP1-B je toliko slaba da bismo je bez pomoći prirode verovatno potpuno propustili. Njenu svetlost pojačava gravitaciono sočivo – masivno galaksijsko jato MACS J0416 između nas i nje, koje zakrivlja prostor i deluje kao prirodni teleskop.

Galaksijsko jato MACS J0416.1–2403 (levo) i paralelno polje (desno) u programu Hubble Frontier Fields; krugovima su označene neke od najudaljenijih galaksija čiju je svetlost pojačalo gravitaciono sočivo. Foto: NASA, ESA, Z. Levay (STScI/AURA); priznanje: L. Infante (Pontificia Universidad Católica de Chile).

Šta su zvezde Populacije III i zašto su toliko važne?

U kosmološkoj priči zvezde dolaze u “generacijama”:

• Populacija III – prve zvezde u svemiru, napravljene skoro isključivo od vodonika i helijuma (plus tragovi litijuma) nastalih u Velikom prasku. Teoretski su bile:
  • mnogo masivnije od današnjih zvezda (često desetine ili stotine masa Sunca),
  • ekstremno sjajne u ultraljubičastom,
  • vrlo kratkog života – žive svega nekoliko miliona godina i završavaju u gigantskim supernovama.
• Populacija II – sledeća generacija zvezda, već obogaćena “težim” elementima (kisik, ugljenik, gvožđe…) nastalim u eksplozijama Populacije III.
• Populacija I – mlade, “bogate metalima”, kao naše Sunce – nastaju kasnije, u već recikliranom, više puta obogaćenom gasu.

Pošto Populacija III više ne postoji, astronomi traže mlade galaksije čija svetlost nosi potpis okruženja u kojem takve zvezde dominiraju: skoro bez težih elemenata, sa vrlo “tvrdom” (energetskom) UV radijacijom koja jonizuje gas na specifičan način.

JWST je, zahvaljujući ogromnom ogledalu i osetljivosti u infracrvenom delu spektra, napravljen upravo da lovi te najranije epohe svemira – takozvani “epoch rejonizacije”, period do oko milijardu godina nakon Velikog praska, kada su prve zvezde i galaksije “upalile svetla” u kosmičkoj tami.

LAP1-B: ultra-slaba, hemijski “praprimordialna” galaksija

Galaksija LAP1-B otkrivena je u JWST podacima kao izuzetno slaba, ali ekstremno čista po hemijskom sastavu. Spektroskopska merenja pokazuju da se nalazi na crvenom pomaku z ≈ 6,63, što znači da je vidimo onakvu kakva je bila oko 800 miliona godina posle Velikog praska.

Nekoliko stvari kod LAP1-B iskače kao “Pop III bingo”:

• Rekordno niska količina kiseonika – procenjena je na samo oko 0,4% Sunčeve vrednosti, što je čini najhemijski primitivnijom poznatom galaksijom u bilo kojoj epohi.
• Izuzetno tvrdo jonizujuće zračenje – spektralni potpis pokazuje da gas osvetljava vrlo energičan izvor UV fotona, kakav se očekuje od vrlo masivnih, gotovo bezmetalnih zvezda, a teško ga je objasniti “običnim” metalno bogatijim populacijama ili aktivnim crnim rupama.
• Neobičan odnos ugljenika i kiseonika – visoka vrednost C/O za tako nisku metalnost uklapa se u nukleosintezu zvezda koje su nastale bez početnih metala, što je još jedan teorijski “potpis” Populacije III.
• Mala ukupna zvezdana masa – JWST ne detektuje kontinuum zvezdane svetlosti, što ograničava ukupnu masu zvezda na manje od ~2700 masa Sunca, dok dinamika gasa ukazuje na mnogo masivniji halo tamne materije od oko 5×10⁷ M☉. To znači da gledamo mali “zvezdani klaster” u dubokom gravitacionom bunaru.

Na osnovu tih podataka, jedan tim (Nakajima i saradnici) opisuje LAP1-B kao najprimitivniju do sad viđenu zvezdotvornu galaksiju, a drugi tim (Visbal, Hazlett i Bryan) ide korak dalje i tvrdi da je ovo prvi objekat koji istovremeno ispunjava tri ključna teorijska uslova za Populaciju III:

1. formiranje u ekstremno nisko-metalnom halo-u sa niskom virijalnom temperaturom,
2. top-heavy raspodela masa (dominacija veoma masivnih zvezda),
3. mali klaster sa ukupno svega par hiljada masa Sunca u tim masivnim zvezdama.

Drugim rečima, LAP1-B deluje kao realizovana teorijska slika mesta gde bi prve zvezde trebalo da se pojave.

Kako JWST i gravitaciona sočiva prave “kosmički teleskop”

I pored toga, LAP1-B bi nam bila potpuno nevidljiva bez jedne kosmičke “namirene slučajnosti”. Između nas i nje nalazi se masivno galaksijsko jato MACS J0416, udaljeno oko 4,3 milijarde svetlosnih godina. Njegova ogromna masa zakrivlja prostor-vreme i deluje kao gravitaciono sočivo, uvećavajući i izobličavajući svetlost još daljih objekata iza njega.

U slučaju LAP1-B, modeli pokazuju da je svetlost pojačana za faktor od približno 100 puta. Bez tog pojačanja, čak ni JWST ne bi mogao da registruje tako slab objekat na toj udaljenosti.

Ova kombinacija tehnika – superosetljiv infracrveni teleskop + gravitaciono sočivo – daje nam prvi put pristup:

• ultra-slabim, hemijski skoro neiskvarenim galaksijama,
• malim zvezdanim klasterima koji podsećaju na “proto-zvezdane fabrike” ranog svemira.

Zbog toga mnogi istraživači LAP1-B opisuju kao “vrh ledenog brega” – ako jedan takav sistem vidimo u ovom polju, vrlo je verovatno da JWST u kombinaciji sa drugim galaksijskim jatima krije još mnogo sličnih kandidata.

Koliko smo zaista blizu otkriću prvih zvezda?

U popularnim naslovima lako je upasti u zamku “JWST je definitivno pronašao prve zvezde”. Naučnici su, međutim, mnogo oprezniji. Iako LAP1-B odlično odgovara teoriji, ostaju ozbiljna ograničenja:

• Ne vidimo pojedinačne zvezde, već zbirni efekat njihove svetlosti i jonizovanog gasa – što ostavlja prostor za alternativna tumačenja, npr. izuzetno čist gas osvetljen nešto drugačijom vrstom zvezdane populacije.
• Teško je dokazati da metali zaista ne postoje, jer je uvek moguće da su prisutni, ali ispod detekcionog praga instrumenta. “Odsustvo dokaza nije dokaz odsustva”, kako ističu sami autori.
• Prethodni kandidati za Populaciju III su, uz detaljniju analizu, ispali “obične” ekstremno siromašne Populacije II – dakle, imali su ipak dovoljno tragova težih elemenata da se ne uklapaju u sliku nulte metalnosti.

Zato se u naučnim radovima vrlo pažljivo koristi formulacija tipa:
“prvi sistem konzistentan sa teorijskim predikcijama za Populaciju III”, a ne “definitivno otkrivene prve zvezde”.

Šta je potrebno za potvrdu?

• još dublje JWST spektre koji bi ograničili prisustvo metala još strožim granicama,
• dodatne linije u spektru (npr. odsustvo određenih tragova kiseonika) kao dodatnu potvrdu,
• možda i pronalazak još jednog sličnog sistema sa istim osobinama u drugom polju.

Ako sledeće kampanje posmatranja potvrde da LAP1-B zaista sadrži dominantnu populaciju zvezda formiranih iz skoro potpuno “pristine” smeše vodonika i helijuma, to bi bilo prvo direktno “hvatanje” Populacije III na delu – i potpuni game-changer za kosmologiju.

Zaključak

Otkriće galaksije LAP1-B pokazuje da je lov na prve zvezde u svemiru ušao u novu fazu. Zahvaljujući James Webb teleskopu i prirodnim gravitacionim sočivima kao što je jato MACS J0416, konačno smo u stanju da proučavamo najprimitivnije zvezdane sisteme koje su teorije predviđale decenijama.

Još nemamo 100% potvrdu da u LAP1-B zaista gledamo Populaciju III, ali:

• hemijska čistota,
• ekstremna energija zračenja
• i mali, masivni zvezdani klasteri u mračnom halo-u tamne materije

čini je ubedljivo najboljim kandidatom do sada.

Bez obzira na ishod, ova galaksija je već postala novi kosmički laboratorijski sto – mesto na kojem testiramo kako su nastale prve zvezde, kako su zapalile epoch rejonizacije i kako je od prvog “svetla” stiglo do bogatog hemijskog univerzuma u kojem danas nastaju planete, biosfera i, na kraju, mi.

Disclaimer: Tekst ima informativni karakter i ne predstavlja zvanično saopštenje bilo koje svemirske agencije, niti garantuje apsolutnu tačnost dugoročnih kosmoloških modela i interpretacija.