Astronomowie mogli ujrzeć ślady największych gwiazd, jakie kiedykolwiek widziano

Teleskop kosmiczny Jamesa Webba (JWST) pozwala astronomom po raz pierwszy przyjrzeć się odległym galaktykom w dalekich zakątkach wczesnego wszechświata. Niektóre z nich posiadają sygnatury chemiczne wskazujące na egzotyczne nadolbrzymie gwiazdy o masach sięgających nawet 10 000-krotności masy Słońca.

Te behemoty są dziwaczne, ponieważ dla gwiazd we wszechświecie bliskim istnieje jakby wbudowany limit rozmiarów. „Wszystkie nasze modele ewolucji galaktyk… polegają na fakcie, że gwiazdy nie mogą być bardziej masywne niż 120 mas słonecznych” – mówi Devesh Nandal z Centrum Astrofizyki Harvard-Smithsonian w Massachusetts. „Oczywiście istnieją teoretyczne koncepcje, które badały gwiazdy… bardziej masywne niż te, jednak nigdy nie było prawdziwej obserwacji, do której można by się odnieść.”

To się zmieniło teraz. Nandal i jego koledzy przyjrzeli się obserwacjom JWST odległej galaktyki o nazwie GS 3073 i odkryli nietypowo wysokie ilości azotu w jej sygnaturach chemicznych. To nie jest całkowicie anomalne: wysokie poziomy azotu widziano również w kilku innych galaktykach na podobnych odległościach.

Jednak dla większości pozostałych galaktyk poziomy azotu nie są wystarczająco wysokie, aby wprowadzić zamieszanie – pewne typy stosunkowo normalnych gwiazd i innych kosmicznych zdarzeń mogą je wytłumaczyć. Nie jest to jednak przypadkiem GS 3073, jak twierdzi Nandal. Po prostu zawiera za dużo azotu.

Istnieje specyficzny rodzaj hipotetycznej gwiazdy pierwotnej, zwanej gwiazdami Populacji III, dla których modele wskazują, że mogłyby one osiągnąć ekstremalne rozmiary. Kiedy takie gwiazdy to robią, symulacje pokazują również, że powinny one formować znacznie więcej azotu niż zwykłe gwiazdy. Nandal i jego koledzy obliczyli, że kilka gwiazd Populacji III o masach między 1000 a 10 000-krotnością masy Słońca mogłoby wyjaśnić nadmiar azotu w GS 3073. „Nasza praca dostarcza najmocniejszego dowodu do tej pory na istnienie nadolbrzymich gwiazd Populacji III we wczesnym wszechświecie” – mówi.

Jednak niektórzy inni badacze kwestionują, czy nadolbrzymie gwiazdy Populacji III są jedynym odpowiednikiem dla danych – albo czy w ogóle one pasują. „Populacja III musi być powiązana z niemal dziewiczym środowiskiem”, bez wielu pierwiastków cięższych niż hel, mówi Roberto Maiolino z Uniwersytetu w Cambridge. „Z kolei GS 3073 jest chemicznie dość dojrzałą galaktyką. Wydaje się więc, że nie zgadza się ze środowiskiem, w którym można się spodziewać Populacji III.”

To może po prostu być dziwna galaktyka, jak mówi John Regan z Uniwersytetu w Maynooth w Irlandii. „Kiedy obserwujemy wczesny wszechświat, widzimy tylko naprawdę dziwne, naprawdę egzotyczne galaktyki. Więc trudno jest powiedzieć, że nie oczekuję, że nadolbrzymie gwiazdy będą się formować, bo to byłoby zbyt dziwne. No cóż, właśnie powiedziałeś, że są naprawdę dziwne” – mówi.

Jeśli takie kolosalne gwiazdy rzeczywiście istnieją, mogłoby to pomóc badaczom zrozumieć pochodzenie nadolbrzymich czarnych dziur, które istnieją w znacznie wcześniejszym okresie wszechświata, niż powinny. Jeśli powstały z nadolbrzymich gwiazd, a nie z normalnych, to dałoby im przewagę, co mogłoby wyjaśnić, jak urosły do ogromnych rozmiarów, jakie widzimy, w stosunkowo krótkim czasie.

Potwierdzenie, że GS 3073 i inne galaktyki bogate w azot we wczesnym wszechświecie rzeczywiście zawierają nadolbrzymie gwiazdy, będzie trudne, prawdopodobnie wymagające odkrycia więcej sygnatur chemicznych tych dziwnych gigantów. „Wzmocnienie argumentu za ich istnieniem jest naprawdę trudne – dla nas jest bardzo trudne znalezienie palącego dowodu” – mówi Regan. „Ale ten dowód jest bardzo mocny.”