Ősi csillagpor vall az első csillagok keletkezéséről és haláláról

Az A2744_YD4 galaxis művészi ábrázolása

A fiatal világegyetem állapotait tükröző távoli galaxisban csillagközi port azonosítottak, ami a csillagok egy előző generációjának maradványa. Ez lehetett a csillagok első nemzedékváltása a kozmosz történetében.

A londoni University College csillagásza, Nicolas Laparte által vezetett nemzetközi asztronómus-csoport a chilei Atacama-fennsíkon működő ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) szuperteleszkóppal különösen távoli – ezért az univerzum rendkívül ősi állapotait mutató – galaxist figyelt meg. Az A2744_YD4 jelű galaxis a legtávolibb, amit az ALMA-val valaha látni sikerült. A tudósok meglepetésére a fiatal galaxis nagy mennyiségű csillagközi port tartalmaz, ami a csillagok egy korábbi nemzedékének haláláról tanúskodik. Megfigyeléseiket az Astrophysical Journal Letters című folyóiratban adták közre.

600 millió éves univerzum

Az Európai Déli Obszervatórium (ESO) X-shooter spektroszkópjával végzett megerősítő mérések alátámasztották az A2744_YD4 tőlünk mért óriási téridőbeli távolságát. A galaxis a Földről megfigyelve azt az állapotát mutatja, amilyen a fiatal, mindössze 600 millió éves – mai életkorának mindössze 4 százalékát leélt – világegyetem idején volt.

Ez volt az az időszak az univerzum történetében, amikor az első galaxisok és csillagok kialakultak.

A kozmológusok az újraionizálódás (reionizáció) korának is nevezik ezt a periódust, mert azután, hogy az univerzum már kellően lehűlt az atomok keletkezéséhez, az első csillagokból kiáramló intenzív sugárzás ekkor újra ionokká bontotta a kialakult atomokat.

Az Abell 2744 galaxishalmaz a NASA/ESA Hubble űrtávcsővel készített képe. A kiemelt részen az A2744_YD4 galaxis látható Forrás: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA, ESA, ESO and D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna)

„Azon túl, hogy az A2744_YD4 az ALMA által valaha megfigyelt legtávolabbi galaxis, érdekes a bőséges csillagközi por észlelése is, mert ez arra mutat, hogy korábbi szupernóvák már szétszórták anyagukat a galaxisban" – kommentálta az eredményt Laporte.

Ritkaságnak számított a csillagpor

A kozmikus por főleg szilícium, szén és alumínium alkotta apró, a centiméter milliomod része átmérőjű szemcsékből áll. A porszemcséket alkotó elemek a csillagok belsejében keletkeznek, és azok halálakor szóródnak szét a kozmoszban – legalábbis amikor a nagy tömegű, anyagukat gyorsan elégető csillagok látványos szupernóva-robbanással fejezik be életüket. A mai világegyetem galaxisai bővelkednek ebben a csillagporban, amely nemcsak az új csillagok, hanem a bolygók és a komplex molekulák keletkezéséhez is alapanyagul szolgál.

Ám a csillagok első nemzedékének halála előtti, korai univerzumban a csillagpor még ritkaságnak számított.

A fiatal csillagporral behintett A2744_YD4 galaxis megfigyelését az tette lehetővé, hogy az objektum a Föld irányából nézve pont a masszív Abell 2744 galaxishalmaz mögött helyezkedik el. A nagy tömegű objektumok okozta fényelhajlás, az ún. gravitációs lencsehatás révén az Abell 2744 galaxishalmaz – mint egy gigantikus teleszkóp – körülbelül 1.8-szorosára nagyította a távolabbi A2744_YD4 galaxist, így engedve bepillantást az univerzum korai állapotába.

A chilei Andokban 5000 méter magasan lévő Chajnantor Plateau az ALMA távcsőrendszerrel Forrás: Clem & Adri Bacri-Normier (wingsforscience.com)/ESO/Clementine Bacri Adrien Normier

A lencsehatást biztosító Abell 2744 galaxishalmaz amúgy maga is figyelemre méltó tünemény: a 3 és fél milliárd fényévre található objektum négy kisebb galaxishalmaz ütközésével alakult ki, és az óriási léptékű kozmikus találkozás egy sor különös jelenséget vont maga után. Az Abell 2744 tömegének a látható galaxisok csupán az 5 százalékát adják, míg a tömeg további 75 százalék sötét anyag formájában van jelen, és ez felel azért az irtózatos gravitációs potenciálért, amely a mögötte elhelyezkedő galaxisok fényét meghajlítja. A galaxishalmaz tömegének fennmaradó 20 százalékát valószínűleg forró gáz teszi ki.

Ionizált oxigén

Az ALMA nemcsak csillagközi port, de ionizált oxigént is megfigyelt az A2744_YD4 galaxisban. Ezzel az ALMA megdöntötte a saját 2016-os rekordját: ennyire távolról, tehát ennyire régről még sose észleltek oxigént a világegyetemben.

A csillagpor jelenléte a korai univerzumban új információval szolgál az első szupernóva-robbanások időpontjáról, így közvetve arról is, mikor borították először fénybe a kozmoszt a forró csillagok. E „kozmikus hajnal" beköszöntének időbeli behatárolása a modern csillagászat egyik Szent Grálja.

A kutatócsoport becslése szerint az A2744_YD4 abban az időben, amikor az általunk most megfigyelt sugárzás elhagyta, mintegy 6 millió naptömegnyi csillagközi port tartalmazott, míg a galaxis csillagainak összesített tömege 2 milliárd naptömegre rúghatott.

Az A2744_YD4 galaxis művészi ábrázolása Forrás: ESO/ M. Kornmesser

A tudósok meghatározták a csillagképződés ütemét is az A2744_YD4-ben, és azt találták, hogy a fiatal galaxisban évente 20 naptömegnyi anyag alakul csillaggá, szemben a Tejútrendszer mindössze évenkénti egy naptömeges csillagkeletkezési rátájával.

Első csillagok és galaxisok

„Ez a csillagképződési ütem nem váratlan egy ilyen távoli galaxis esetében, ugyanakkor rámutat, milyen hamar kialakult a csillagközi por a A2744_YD4-ben" – magyarázza Richard Ellis, az ESO és a londoni University College csillagásza, a tanulmány egyik szerzője.

Mivel a csillagközi por megjelenése csak mintegy 200 millió évet vesz igénybe, a galaxist röviddel a születése utáni állapotban sikerült megfigyelnünk."

Mindez azt jelenti, hogy az A2744_YD4 galaxisban a látott állapot előtt nagyjából 200 millió évvel vette kezdetét a csillagkeletkezés – először a világegyetem történetében. Az ALMA megfigyelései remek alkalmat nyújtanak arra, hogy az első csillagok és galaxisok „kigyúlásának" időszakát tanulmányozzuk. Sosem volt még alkalmunk az univerzum ilyen ősi titkaiba bepillantani. A mi Napunk, a bolygónk és rajta az emberiség mind a csillagok első generációjának terméke. A kozmosz 13 milliárd évvel ezelőtti múltjának fürkészésével tehát valamiképpen a saját eredetünket is kutatjuk.