A kozmológia és asztrofizika egyik legizgalmasabb kihívása az első csillagok, az úgynevezett Population III (Pop III) csillagok megértése és közvetlen megfigyelése. A James Webb Űrtávcső (JWST) legújabb eredményei áttörést hoztak ezen a téren, különösen a z=6.6 vöröseltolódású Pop III jelölt, az LAP1-B felfedezésével.
Bevezetés: Miért fontosak a Pop III csillagok?
A Pop III csillagok az Univerzum első generációs csillagai, melyek rendkívül alacsony fémességgel rendelkeznek, vagyis szinte kizárólag hidrogénből és héliumból állnak. Ezek a csillagok alapvető szerepet játszottak az Univerzum korai fejlődésében, hiszen ők indították el a fémek termelését, amelyek később lehetővé tették a bonyolultabb kémiai elemek kialakulását és az élethez szükséges környezet létrejöttét.
Az elmúlt évtizedekben számos elméleti modell született, amelyek három kulcsfontosságú előrejelzést fogalmaztak meg a Pop III csillagokra vonatkozóan:
- Alacsony fémességű sötét anyag halókban alakulnak ki, melyek virial hőmérséklete 10³–10⁴ K között van.
- Top-heavy kezdeti tömegeloszlásuk (IMF)
- Kis tömegű klaszterekben keletkeznek
LAP1-B: Az első olyan objektum, amely megfelel az elméleti előrejelzéseknek
A japán kutatócsoport, Nakajima és munkatársai által bemutatott LAP1-B egy gravitációsan felnagyított (nagyjából 100-szoros) forrás a MACS J0416 galaxishalmaz mögött, amely z=6.6 vöröseltolódású. Ez az objektum az első olyan jelölt, amely mindhárom fent említett elméleti kritériumnak megfelel.
Pop III csillagok kialakulási környezete
LAP1-B egy körülbelül 5×10⁷ naptömegű sötét anyag halóban helyezkedik el, amely megfelel az atomikus hűtés határának (virial hőmérséklet ~10⁴ K). Ez azt jelenti, hogy ebben a halo környezetben már molekuláris hidrogén helyett atomos hidrogén hűtési folyamatai dominálnak, ami lehetővé teszi a csillagképződést még akkor is, ha a Lyman–Werner sugárzás gátolja a molekuláris hidrogén kialakulását kisebb halókban.
Top-heavy kezdeti tömegeloszlás és klaszter tömeg
A megfigyelések alapján LAP1-B egy néhány ezer naptömegnyi masszív Pop III csillagból álló klaszter lehet. Az ionizáló Hα emisszió elemzése szerint körülbelül 2700 naptömegnyi Pop III csillag aktív jelenleg is. Ez összhangban áll azzal az elméleti előrejelzéssel, hogy ezek a klaszterek nem túl nagy tömegűek, de jelentős ionizáló sugárzást bocsátanak ki.
Fémesség és fémek eredete
Bár Pop III csillagok eredetileg fémmentesek voltak, LAP1-B környezetében már kimutatható oxigén és szén jelenléte. Ez valószínűleg annak köszönhető, hogy néhány Pop III szupernóva vagy gyorsan forgó csillag által kibocsátott szél már berobbantotta ezeket az elemeket a környező gázba. Az oxigén mennyisége megfelel annak, amit egyetlen vagy néhány szupernóva képes lenne előállítani ebben a klaszterben.
A Pop III galaxisok előfordulási gyakorisága és megfigyelhetősége
A Visbal és munkatársai által fejlesztett félszemianalitikus modell segítségével kiszámolták, hogy mekkora eséllyel találhatunk hasonló Pop III galaxisokat olyan nagyítással rendelkező galaxishalmazok mögött, mint amilyen a MACS J0416. A modell szerint várhatóan körülbelül egy ilyen objektum figyelhető meg z=6–7 között ezen halmaz területén.
Bár korábban több Pop III jelöltet is jelentettek már a JWST segítségével, ezek többsége jóval nagyobb csillagtömeget igényelt volna (>10⁵–10⁶ naptömeg), ami nem egyezik meg a klasszikus Pop III formációs modellekkel. Ezzel szemben LAP1-B megfelel az összes kulcsfontosságú elméleti előrejelzésnek.
Az LAP1-B fizikai tulajdonságainak részletes elemzése
Hα emisszió és ionizáló fotonok száma
A Hα vonal fluxusa (~2×10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻²) alapján meghatározható az ionizáló hidrogén fotonok kibocsátási rátája. Ez közvetlenül összekapcsolható a Pop III csillagok számával és tömegével. Feltételezve egy top-heavy IMF-et és egy jellemző tömeget (~40 M☉), körülbelül 38 ilyen masszív csillagra van szükség az emisszióhoz – összesen mintegy 1000 M☉ nagyságrendű aktív Pop III csillagra.
Gáz- és sötét anyag tömeg
Kozmológiai szimulációk alapján egy ~5×10⁷ M☉ sötét anyag haló központjában várhatóan ~10⁵ M☉ gáz található 20 pc-es térfogaton belül. Ez összhangban áll LAP1-B becsült gáztömegével (~4×10⁵ M☉). A Hα vonal szélessége (~58 km/s) nem elsősorban gravitációs mozgásokból eredhet ekkora sötét anyag tömeg mellett – sokkal inkább gázkiáramlásokból (szupernóva robbanásokból vagy sztelláris szelekből).
Fémesedés forrása: szupernóvák vagy forgó sztárok?
A jelenlévő oxigén mennyisége (~10 M☉) megfelel annak, amit egyetlen ~40 M☉-os Pop III szupernóva képes lenne előállítani. Alternatív forrásként felmerülhetnek gyorsan forgó sztárok által kibocsátott szelek is, amelyek kisebb mennyiségű oxigént juttatnak ki hosszabb idő alatt.
Pop III galaxisok számosságának modellezése
A Visbal et al. félszemianalitikus modellje N-body szimulációkra építve követi nyomon a halo fejlődést és különböző visszacsatolási folyamatokat (Lyman–Werner sugárzás, külső fémesedés, reionizáció). A modell szerint z~6.6 környékén várhatóan kb. egy ilyen aktív Pop III galaxis figyelhető meg nagyítással rendelkező galaxishalmaz mögött (pl. MACS J0416).
A modell azt is mutatja, hogy bár magasabb vöröseltolódásokon intrinszikusan több Pop III rendszer keletkezik, azok távolsága miatt nehezebben detektálhatók jelenlegi érzékenységgel.
LAP1-B helye más JWST által jelölt Pop III jelöltek között
Míg más JWST jelöltek esetében extrém nagy stellar tömegek szükségesek (>10⁵–10⁶ M☉), addig LAP1-B esetében ez mindössze néhány ezer naptömegnyi aktív masszív Pop III csillagot jelent – ami sokkal jobban illeszkedik az elméleti modellekhez.
Egyes modellek szerint azonban létezhetnek kevert populációk is (Pop III + fémgazdagabb sztárok), amelyek hosszabb ideig fennmaradnak és nagyobb stellar tömeget eredményeznek – ezek azonban nem tekinthetők klasszikus Pop III formációnak.
Kitekintés: Mit hozhat a jövő?
A jelenlegi érzékenység mellett z~6.5 környékén várható első detektálásuk – ahogy ezt LAP1-B példája is mutatja –, de érzékenyebb mérésekkel akár z>10-es vöröseltolódású Pop III rendszereket is találhatunk majd. A gravitációs lencsehatás továbbra is kulcsszerepet játszik majd ezeknek az ősi objektumoknak a felkutatásában.
További részletes modellezések és mélyebb megfigyelések segíthetnek pontosabban meghatározni a Pop III sztárok képződésének hatékonyságát és időbeli lefolyását.
Forrás: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae122f
