Narodziny gigantów - jak masywne gwiazdy wpłynęły na kształt Wszechświata?
Pomimo rozwoju astronomii, proces narodzin masywnych gwiazd jest owiany tajemnicą. W jaki sposób kosmiczne piece powstają z obłoków międzygwiezdnego gazu i jakie procesy fizyczne ograniczają ich masę? Ich skomplikowany związek z powstawaniem gromad gwiazd i wpływami zróżnicowanych środowisk galaktycznych wprowadza dodatkowe warstwy złożoności. Nasuwa się także pytanie o to, czy pierwsze gwiazdy we Wszechświecie mogły być zalążkami supermasywnych czarnych dziur. Dzięki rozwojowi metod obliczeniowych i narzędzi obserwacyjnych, naukowcy są obecnie w stanie dokonać znaczących postępów w poszukiwaniu odpowiedzi na wszystkie pytania. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu MSTAR(odnośnik otworzy się w nowym oknie) miał na celu opracowanie ogólnych ram teoretycznych pozwalających na badanie procesów formowania masywnych gwiazd i gromad gwiezdnych, a w szczególności analizę różnic spowodowanych przez zróżnicowane warunki kosmiczne. „Biorąc pod uwagę złożoność procesów formacji gwiazd opartych na wzajemnym oddziaływaniu nieliniowej dynamiki i różnorodnych procesów fizycznych i chemicznych działających w rozległych skalach przestrzennych i czasowych, wszelkie wnioski teoretyczne muszą zostać dokładnie zweryfikowane dzięki obserwacjom”, zauważa Jonathan Tan, koordynator projektu. W tym celu naukowcy rozpoczęli realizację programów obserwacji na różnych długościach fal, od zakresu fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie, wykorzystując w tym celu najnowocześniejsze urządzenia, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Badanie formacji masywnych gwiazd dzięki chaotycznym przepływom
„Badanie procesu powstawania masywnych gwiazd jest niezwykle istotne, ponieważ wpływają one na fizyczny i chemiczny rozwój galaktyk. Mają wpływ nawet na to, czy przyszłe generacje gwiazd będą w stanie tworzyć planety i podtrzymywać życie”, podkreśla Tan. Aby lepiej zrozumieć proces powstawania gwiazd, zespół badawczy opracował modele oparte na turbulentnej akrecji jądra - modele opisujące, w jaki sposób gwiazdy rosną w środowiskach gęstych, turbulentnych, magnetycznych jąder gazowych. Modele te łączą obserwowalne cechy, takie jak rozkłady energii widmowej, a także bardziej fundamentalne właściwości, w tym masę gwiazdy i tempo akrecji. Zestawienie to okazało się kluczem pozwalającym na interpretację i weryfikację wiarygodności modelu akrecji w turbulentnym środowisku jądra.
Od pierwszych gwiazd do supermasywnych czarnych dziur
„Dotychczas model okazał się wiarygodny i rzetelny. Udało nam się zweryfikować przewidywania modelu TCA w różnych środowiskach galaktycznych, od gęstego centrum galaktyki po zewnętrzne rubieże”, stwierdza Tan. „Zachęceni tymi wynikami, rozszerzyliśmy naszą teorię i uwzględniliśmy w niej wczesny rozwój Wszechświata, koncentrując się na pierwszych gwiazdach - gwiazdach III populacji. Nasze odkrycia wskazują, że gwiazdy te zachowywały się zupełnie inaczej niż lokalne masywne gwiazdy ze względu na ich interakcje z ciemną materią”. Zdaniem Tana, dzięki temu mogły urosnąć do supermasywnych rozmiarów nawet 100 000 razy przekraczających masę Słońca, co stanowi wiarygodne wyjaśnienie pochodzenia supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w większości dużych galaktyk. Zastosowany przez badaczy model „Population III.1” przewidział, że supermasywne czarne dziury powstały na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata i od początku miały istotną masę. Teorię tę popierają przełomowe odkrycia dokonane dzięki wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
Rozbłysk, który upraszcza rozwój Wszechświata
Jednym z istotnych przewidywań dokonanych przy pomocy tego modelu była wczesna faza kosmicznej rejonizacji - wybuch energii, który zjonizował Wszechświat w pierwszych chwilach jego istnienia. Gdyby takie zdarzenie miało miejsce w rzeczywistości, stanowiłoby element wyjaśnienia problemu zapotrzebowania na nietypowe pomysły na opisanie ewolucji Wszechświata. „Istniejące modele wymagają uwzględnienia pozornie nieprawdopodobnych rozwiązań, takich jak ujemne masy neutrin lub dynamiczny rozwój ciemnej energii, by zapewnić ich zgodność z obserwacjami. Jeśli jednak miała miejsce jonizacja na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata i przewidywania modelu się potwierdzą, tego rodzaju egzotyczne rozwiązania mogą nie być już potrzebne”, podsumowuje Tan.
