Pirmās paaudzes galaktikas ne vienmēr uzvedas tā, kā to paredz līdzšinējie modeļi. Viens no iespējamiem iemesliem ir tas, ka tajās dzimušās vismasīvākās zvaigznes attīstījās būtiski citādi nekā masīvās zvaigznes mūsdienu Piena Ceļā.

Lai izpētītu šīs atšķirības, Jūtas Universitātes vadītā pētnieku komanda izmanto Habla kosmisko teleskopu. Projekts nodēvēts par Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars jeb TEMPOS — īpaši zema metāliskuma O tipa zvaigžņu apsekojumu. Tā pamatā ir Habla Kosmiskās izcelsmes spektrogrāfa (COS) ultravioletie mērījumi, kuros pētnieki analizē masīvas zvaigznes tuvējās galaktikās, kas pēc vides atgādina agrīno Visumu.

Neparasti plašais TEMPOS datu kopums var palīdzēt uzlabot masīvo zvaigžņu modeļus un precīzāk saprast, kā šie objekti ietekmēja jaunās galaktikas. Šis jautājums kļuvis īpaši nozīmīgs pēc tam, kad 2021. gadā palaistais Džeimsa Veba kosmiskais teleskops turpina atklāt negaidīti sarežģītas galaktikas, kas pastāvēja Visuma agrīnajā vēsturē.

“Vebs atvēra veselu virkni jaunu jautājumu par šo agrīno galaktiku attīstību — tās ir dīvainas,” sacīja Jūtas Universitātes Fizikas un astronomijas katedras docente un pētījuma vadošā autore Greisa Telforda. “Tā ir TEMPOS programmas zinātniskā motivācija: palīdzēt saprast, kas notiek šajās agrīnajās galaktikās.”

Apsekojums 21. septembrī publicēts izdevumā The Astrophysical Journal Supplement Series.

Masīvas zvaigznes ietekmē veselas galaktikas

Zvaigznes, kuru masa vairāk nekā desmitkārt pārsniedz Saules masu, ir retas, taču to ietekme var izplatīties pa visu galaktiku. Tās izstaro milzīgu daudzumu starojuma, nepārtraukti zaudē vielu zvaigžņu vēju ietekmē un dzīves beigās eksplodē kā pārnovas.

“Tās deg ļoti karsti, spoži un ātri, un savu īso mūžu noslēdz ar pārnovas sprādzieniem, kas apkārtējā gāzē nogādā daudz enerģijas un materiāla,” sacīja Telforda. “Tās nosaka savu galaktiku attīstību, karsējot un būtībā regulējot gāzi, kas pēc tam var atdzist un veidot jaunas zvaigznes.”

Viena no būtiskām atšķirībām starp agrīnajām galaktikām un mūsdienu galaktikām ir to ķīmiskais sastāvs. Astronomi ar jēdzienu “metāliskums” apzīmē tādu elementu daudzumu zvaigznē vai galaktikā, kas ir smagāki par ūdeņradi un hēliju.

Visuma agrākās galaktikas bija saražojušas daudz mazāk šo smago elementu nekā tādas galaktikas kā mūsdienu Piena Ceļš. Tāpēc masīvajām zvaigznēm, kas dzimušas tajā laikmetā, varēja būt fizikālās īpašības, kas būtiski atšķīrās no tām masīvajām zvaigznēm, kuras astronomi var pētīt tuvumā.

“Masīvas zvaigznes ar zemu metāliskumu ir īpaši svarīgas, lai izveidotu precīzus agrīno galaktiku modeļus,” norādīja Telforda. “Mēs nevaram vienkārši izpētīt, kā uzvedas ar smagajiem elementiem bagātās Piena Ceļa masīvās zvaigznes, un izmantot to, lai interpretētu šos novērojumus.”

Tuvējās pundurgalaktikas sniedz ieskatu pagātnē

Agrīnā Visuma tālajās galaktikās atsevišķas masīvas zvaigznes nav iespējams pietiekami detalizēti izpētīt, lai tieši izmērītu daudzas to īpašības. Tāpēc TEMPOS komanda pievērsās salīdzinoši tuvējām pundurgalaktikām, kuru ķīmiskais sastāvs ļauj tās izmantot kā agrīnā Visuma analogu.

Apsekojumā analizētas 29 masīvas zvaigznes sešās vietējās pundurgalaktikās. Katrā no šīm galaktikām metāliskums ir mazāks par piekto daļu no Saules metāliskuma, tādēļ tajās esošās zvaigznes var kalpot kā aizstājēji, pētot apstākļus, kas kosmiskās vēstures sākumā bija izplatīti daudz biežāk.

Ultravioletā gaisma šādu zvaigžņu pētījumos ir īpaši vērtīga. To ultravioletajos spektros redzamas ķīmisko elementu “pēdas” zvaigžņu atmosfērā, kā arī informācija par zvaigžņu vējiem, kas aiznes vielu prom no zvaigžņu virsmām.

Šādus mērījumus iegūt ir sarežģīti, jo atsevišķas masīvas zvaigznes ārpus Piena Ceļa ir ārkārtīgi blāvas. To izpētei uz dažiem pasaulē jaudīgākajiem teleskopiem var būt nepieciešamas daudzas novērojumu stundas.

“Tas ir 29 zvaigžņu paraugs, kas neizklausās daudz, taču katras zvaigznes novērošanai var būt nepieciešamas līdz 35 stundām Habla laika, tāpēc tas kļūst ļoti dārgi,” sacīja Telforda.

TEMPOS jaunajiem novērojumiem pievienoja 12 zvaigznes, par kurām mērījumi bija iegūti iepriekš. Tādējādi tika izveidots lielāks un konsekventāks datu kopums, ar kuru salīdzināt zvaigznes.

Zvaigžņu vēji pie zema metāliskuma kļūst ievērojami lēnāki

Masīvas zvaigznes pakāpeniski zaudē vielu spēcīgu zvaigžņu vēju ietekmē. Šo vēju spēks un ātrums ir cieši saistīts ar zvaigznes metāliskumu.

Metālu joni palīdz pārnest enerģiju no zvaigznes starojuma uz apkārtējo vielu, tādējādi izstumjot šo vielu uz āru. Tāpēc zinātnieki sagaida, ka zvaigznes ar mazāk smago elementu veidos vājākus vējus un dzīves laikā zaudēs mazāk masas.

TEMPOS apstiprināja kopējo tendenci, ko astronomi bija paredzējuši: metāliskumam samazinoties, samazinās arī zvaigžņu vēju maksimālais ātrums.

Tomēr parauga ekstrēmākajā galā parādījās kas negaidīts. Zvaigznēm, kuru metāliskums ir mazāks par aptuveni 10% no Saules metāliskuma, vēju ātrums samazinājās daudz straujāk, nekā to paredzētu tendences pie lielāka metāliskuma.

“Sākumā ir sava veida vienmērīga tendence, bet tad pie viszemākā metāliskuma zvaigžņu vēja ātrums pēkšņi strauji krītas,” sacīja Telforda. “Es biju ļoti sajūsmināta, atrodot šo jauko pārsteigumu datos.”

Šis straujais kritums var būtiski ietekmēt masīvo zvaigžņu dzīvi un nāvi. Ja zvaigznes ar ārkārtīgi zemu metāliskumu zvaigžņu vējos zaudē mazāk vielas, tās visa mūža laikā var saglabāt lielāku daļu sākotnējās masas.

Tas savukārt var mainīt to turpmāko attīstību, nāves veidu un enerģijas un materiāla daudzumu, ko tās atdod apkārtējai videi. Tā kā masīvas zvaigznes palīdz kontrolēt gāzes daudzumu, kas pieejams nākamo zvaigžņu veidošanai, pārmaiņas atsevišķās zvaigznēs galu galā var ietekmēt veselu galaktiku attīstību.

Dzelzs palīdz precizēt, kas notiek ar zvaigznēm

No smagajiem elementiem, kas atrodami masīvās zvaigznēs, īpaši nozīmīgs var būt dzelzs. Tas palīdz virzīt zvaigžņu vējus, ietekmē masīvo zvaigžņu attīstību un piedalās procesos, kas noslēdzas ar pārnovas sprādzieniem.

Tomēr dzelzs daudzumu vidē ar ārkārtīgi zemu metāliskumu izmērīt ir ļoti grūti. Astronomi bieži novērtē metāliskumu, mērot skābekli galaktikas gāzē. Skābekļa joni, masīvo zvaigžņu apgaismoti, rada spožas emisijas līnijas, tāpēc tos salīdzinoši viegli noteikt.

Pētnieki bieži pieņem, ka dzelzs daudzums mainās līdzīgi skābekļa daudzumam. Tomēr abi elementi ne vienmēr palielinās vai samazinās pilnīgi vienādā veidā.

TEMPOS ļāva šo saistību izpētīt tiešāk, analizējot ārkārtīgi vājas dzelzs absorbcijas pazīmes ultravioletajos spektros. Vienkāršoti sakot, komanda mērīja, cik daudz ultravioletās gaismas absorbē dzelzs salīdzinājumā ar gaismas daudzumu, kāds citādi būtu pieejams.

Pētnieki atklāja, ka masīvām zvaigznēm galaktikās ar lielāku skābekļa daudzumu jeb augstāku metāliskumu parasti ir ievērojami spēcīgāka dzelzs absorbcija nekā zvaigznēm galaktikās ar mazāku skābekļa daudzumu.

Vienlaikus TEMPOS izmērītais dzelzs absorbcijas diapazons liecina, ka šajās ar metāliem nabadzīgajās zvaigznēs dzelzs daudzums var būt pārsteidzoši atšķirīgs.

“Šī ir pirmā reize, kad mums ir bijusi pietiekama statistiskā jauda, lai ieraudzītu šo tendenci lielā zvaigžņu paraugā sešās galaktikās ar atšķirīgu ķīmisko sastāvu,” sacīja Telforda. “TEMPOS dod mums pamatu, lai noteiktu, kā masīvo zvaigžņu fizika mainās līdz ar dzelzs daudzumu vidē ar ļoti zemu metāliskumu.”

Pirms TEMPOS Telforda bija veikusi detalizētu trīs zvaigžņu modelēšanu, un šīs zvaigznes tagad ir iekļautas plašākajā apsekojumā. Mazais datu kopums nebija pietiekams, lai atklātu plašākas likumsakarības, kas kļūst redzamas, analizējot desmitiem zvaigžņu.

“Ar trim zvaigznēm šīs tendences nav iespējams saskatīt,” viņa sacīja. “Mēs visu laiku bijām iestrēguši situācijā, kad statistikas ir pārāk maz, tāpēc šis ir mūsu līdz šim labākais mēģinājums izveidot pietiekami lielu paraugu, lai iegūtu noderīgākus rezultātus.”

Nākamais solis — Habla un Keck novērojumu apvienošana

Pētnieki tagad plāno turpināt analīzi, apvienojot Habla ultravioletos mērījumus ar redzamās gaismas novērojumiem, kas iegūti Keck observatorijā Havaju salās.

Abi datu kopumi ļaus zinātniekiem izveidot detalizētākus zvaigžņu modeļus un aprēķināt tādas īpašības kā ķīmiskais sastāvs un ātrums, ar kādu zvaigžņu vēji aiznes to masu.

Šie mērījumi galu galā varētu uzlabot modeļus, ko izmanto, lai interpretētu Veba teleskopa novērotās neparastās agrīnās galaktikas.

TEMPOS zinātniski gatavie ultravioletie spektri būs publiski pieejami, izmantojot Mikulski kosmisko teleskopu arhīvu, tādējādi citiem pētniekiem būs iespēja pētīt papildu jautājumus par masīvajām zvaigznēm un to ietekmi uz galaktiku attīstību.

Apsekojumā sadarbojās Kristiana Erba no Kalifornijas štata universitātes Fresno un Dowing planetārija; Kristena Makvina no Kosmiskā teleskopa zinātnes institūta (STScI) un Ratgersa universitātes; Kalums Hokrofts, Džūlija Romēna-Divāla un Klauss Leitšrers no STScI; Andreass Sanders no Kristiana Albrehta universitātes Ķīlē un Astronomijas skaitļošanas institūta (ARI); Džons Čisholms un Daniela Berga no Teksasas Universitātes Ostinā un Cosmic Frontier Center; Varša Ramčandana no ARI; Juns Džens no Renselēra Politehniskā institūta; Ebijas Mincas no Prinstonas universitātes; un Evans Kirbijs no Notre Dame universitātes.

Darbs balstīts NASA/ESA Habla kosmiskā teleskopa novērojumos un atbalstīts ar NASA finansējumu, tostarp grantiem GO-16767, GO-16920 un GO-17491.