Ha valaha is elgondolkodtál azon, hogyan létezhettek már az univerzum hajnalán, kevesebb mint egymilliárd évvel a Nagy Bumm után, elképesztően hatalmas fekete lyukak, akkor most figyelj! Ez a kérdés az elmúlt két évtizedben foglalkoztatta a csillagászokat, hiszen a hagyományos csillagfejlődési modellek egyszerűen nem tudták megmagyarázni, hogyan jöhettek létre ilyen gyorsan ezek a kozmikus szörnyetegek.
A kozmikus rejtély: hogyan születhettek meg ilyen gyorsan a szupernagy tömegű fekete lyukak?
A probléma lényege, hogy a normál csillagok nem tudnak elég gyorsan akkora tömegű fekete lyukat létrehozni, mint amilyeneket az ősi univerzumban megfigyelünk. Ezek a fekete lyukak ugyanis akár több milliárd naptömegűek is lehetnek, és már akkor léteztek, amikor az univerzum még gyerekcipőben járt. Ez engem mindig is lenyűgözött és egyben zavarba is hozott – hogyan lehetett ez lehetséges?
James Webb űrtávcső és az első bizonyítékok
Most azonban egy nemzetközi kutatócsoport, élén a Harvard-Smithsonian Csillagászati Központ (CfA) és az angliai Portsmouth Egyetem szakembereivel, végre megtalálta az első meggyőző bizonyítékot erre a kozmikus rejtvényre. A NASA James Webb Űrtávcsövének (JWST) segítségével sikerült feltárniuk egy különleges galaxis, az GS 3073 kémiai ujjlenyomatát.
A kutatás során egy rendkívüli nitrogén-oxigén arányt fedeztek fel ebben a galaxisban – pontosabban egy olyan arányt (0,46), amit semmilyen ismert csillagtípus vagy csillagrobbanás nem tud előállítani. Ez az anomália végül arra utalt, hogy valami egészen különleges történt itt.
“Szörnycsillagok”: az univerzum első gigászai
2022-ben már megjelent egy tanulmány a Nature-ben, amely előre jelezte, hogy az első univerzumban ritka, hideg gázhullámokban természetesen kialakulhattak olyan szupernagy tömegű csillagok, amelyek akár ezerszer vagy tízezerszer nagyobbak lehettek a Napunknál. Ezek a “szörnycsillagok” rövid életük alatt elképesztő mennyiségű energiát bocsátottak ki, majd összeomlottak hatalmas fekete lyukakká – így magyarázva meg azt, hogy már ilyen korán létezhettek kvazárok.
Daniel Whalen, a Portsmouth Egyetem Kozmológiai és Gravitációs Intézetének kutatója szerint:
“Ez az új felfedezés végre megoldja azt a húsz éves kozmikus rejtélyt. A GS 3073 galaxisban talált bizonyítékok azt mutatják, hogy ezek a szörnycsillagok valóban léteztek. Olyan óriások voltak ezek, mint a dinoszauruszok Földünkön: hatalmasak és primitívek. Életük pedig mindössze negyedmillió évig tartott – ez egy pillanatnyi villanás az univerzum időskáláján.”
A nitrogén titka: hogyan árulkodik egy galaxis múltjáról?
A kulcs tehát ebben az extrém nitrogén-oxigén arányban rejlik. De miért pont ez? Devesh Nandal, a CfA elméleti és számítási intézetének posztdoktori kutatója úgy fogalmazott:
“A kémiai elemek aránya olyan, mint egy kozmikus ujjlenyomat. A GS 3073-ban talált minta teljesen eltér attól, amit bármelyik ismert csillagtípus produkálhatna. Az extrém nitrogénszint csak egyetlen forrással magyarázható: olyan ősi csillagokkal, amelyek tömege több ezer naptömeg volt.”
A kutatók részletesen modellezték ezeknek a gigászi csillagoknak az életciklusát és kémiai termékeit. Kiderült, hogy ezek az óriások héliumot égetnek magjukban, miközben szén keletkezik. Ez a szén átszivárog egy körülöttük lévő héjba, ahol hidrogén ég – itt indul be a CNO-ciklus (szén/nitrogén/oxigén), amely során nitrogén keletkezik.
A konvekciós áramlatok pedig eloszlatják ezt a nitrogént az egész csillagban, majd amikor ez az anyag kiszabadul az űrbe – például szél formájában –, gazdagítja környezetét nitrogénnel. Ez a folyamat millió éveken át tartott hélium-égetési fázis alatt, így jött létre az általunk ma is érzékelhető nitrogéndús környezet.
A haláluk sem mindennapi: közvetlenül fekete lyukká omlanak össze
Az Astrophysical Journal Letters-ben publikált modellek azt is előrejelzik, hogy ezek a monstrumcsillagok nem robbannak fel klasszikus szupernóvaként. Ehelyett közvetlenül összeomlanak hatalmas tömegű fekete lyukká – akár több ezer naptömeggel.
Különösen izgalmas tény, hogy maga a GS 3073 galaxis központjában aktívan táplálkozó fekete lyukat találtak – ami akár ezen ősi szörnycsillagok egyikének maradványa is lehet. Ha ezt megerősítik, akkor egyszerre két nagy kérdésre kapunk választ: honnan származik ez az extrém nitrogéndús anyag és hogyan alakult ki ez a gigantikus fekete lyuk.
A “sweet spot”: csak bizonyos tömegtartományban működik ez a folyamat
A tanulmány arra is rámutatott, hogy ez a jellegzetes nitrogénminta csak akkor jelenik meg, ha a csillag tömege nagyjából ezer és tízezer naptömeg között van. Ennél kisebb vagy nagyobb tömegű csillagok nem produkálnak ilyen kémiai ujjlenyomatot – tehát van egyfajta “arany középút”, ahol ez az effektus működik.
Mit jelent mindez számunkra?
Ezek az eredmények új ablakot nyitnak arra az időszakra, amit kozmológusok “kozmikus sötét korszaknak” hívnak – amikor még csak kialakulóban voltak az első csillagok és elkezdték átalakítani az egyszerű kezdeti kémiai összetételt sokkal gazdagabb elemekké.
Szerintem ez azért is izgalmas fejlemény, mert végre kézzelfogható bizonyítékot kapunk arra vonatkozóan, hogyan alakult ki az univerzum első generációja és miként formálódtak azokból később azok a hatalmas fekete lyukak, amiket ma is látunk.
További felfedezések várhatók
A kutatók úgy vélik, hogy ahogy tovább folytatódik majd a JWST korai univerzumot vizsgáló programja, még több hasonló nitrogéndús galaxist fogunk találni. Minden újabb ilyen felfedezés tovább erősíti majd azt az elképzelést, hogy ezek az ultra-masszív első csillagok valóban léteztek és meghatározó szerepet játszottak kozmikus történetünkben.
Forrás: Nandal D. et al., “1000-10 000M⊙ Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 at z=5.55,” The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI:10.3847/2041-8213/ae1a63
Forrás: https://www.cfa.harvard.edu/news/astronomers-find-first-direct-evidence-monster-stars-cosmic-dawn
