Cât de mari pot fi primele explozii stelare ale universului?
Odată cu îmbunătățirea telescoapelor, astronomii pot privi tot mai departe înapoi în timp și descoperă noi caracteristici fascinante ale universului. Totuși, un lucru pe care nu l-au găsit cu certitudine îl reprezintă stelele din Populația III. Acestea ar fi fost primele stele din univers, formate în întregime din hidrogen și heliu primordial, fără ca elemente mai grele să le polueze procesele. Se teoretizează că erau extrem de masive și că aveau un sfârșit violent.
O nouă lucrare, disponibilă pe serverul de preprint arXiv, semnată de Tae Bong Jeon de la Cosmic Frontier Center al Universității din Texas la Austin, analizează cât de masive ar putea fi aceste explozii stelare și dacă Telescopul Spațial James Webb le-ar putea detecta. Până acum, JWST a găsit indicii ale acestora, dar la perioade mult mai târzii decât cele anticipate de modelele teoretice dinainte de lansarea telescopului. Unele galaxii apropiate de sfârșitul Erei Reionizării prezintă caracteristici ce par să provină din aceste explozii stelare primordiale, însă cu sute de milioane de ani mai târziu decât se prezisese.
Pentru ca acest lucru să fie posibil, trebuie evitate două capcane existențiale. În primul rând, norii de gaz hidrogen și heliu care formează aceste stele nu trebuie să se prăbușească prea devreme. În al doilea rând, trebuie să evite contaminarea cu metale provenite de la supernovele vecine.
În universul timpuriu, norii de gaz primordial se puteau prăbuși sub propria gravitație doar dacă reușeau să se răcească. De obicei, odată ce deveneau suficient de denși, se încălzeau și se extindeau din nou. Singurul agent de răcire disponibil era hidrogenul molecular (H2). Această moleculă a fost esențială pentru formarea primelor stele din Populația III, permițând materiei întunecate să adune suficient gaz pentru a declanșa fuziunea.
În fazele ulterioare ale universului, hidrogenul molecular era mai abundent, astfel încât, cel puțin teoretic, stelele din Populația III s-ar fi format mai ușor și, având durată scurtă de viață, s-ar fi stins cu mult înainte de perioadele în care JWST le observă. O soluție posibilă este reducerea cantității de hidrogen molecular disponibil ca agent de răcire în apropierea norilor de gaz. Există un mecanism cunoscut sub numele de radiație Lyman-Werner (LW).
Radiația LW constă din fotoni ultravioleți moi care disociază moleculele de hidrogen la contact, formând hidrogen atomic, mult mai puțin eficient în răcirea norilor de gaz. Astfel, dacă un nor de gaz este lovit de radiație LW, formarea stelelor este întârziată până când ajunge la stadiul de răcire atomică. În acel moment, cantitatea de material este atât de masivă încât hidrogenul atomic format poate declanșa în final o prăbușire catastrofală într-o stea.
Pentru a demonstra acest mecanism, autorii au modelat un halo de materie întunecată aflat în curs de răcire înainte de prăbușire și l-au expus la diferite niveluri de radiație LW. Ei au observat că s-a dezvoltat o structură distinctă, în care straturile exterioare ale haloului rămâneau extrem de fierbinți din cauza expunerii prelungite la radiații UV externe, în timp ce miezul interior devenea mai dens, transformându-se într-un scut. Practic, stratul exterior preia impactul căldurii, în timp ce stratul interior se răcește și formează în cele din urmă o stea.
Dar radiația LW nu este singurul element care plutește în univers în perioadele acestor potențiale stele târzii din Populația III. Metalele provenite de la alte supernove fac și ele parte din peisaj. Totuși, acestea se deplasează mult mai lent. Autorii subliniază că radiația LW de la supernovele din apropiere poate ajunge la acești nori de gaz și praf primordial cu sute de milioane de ani mai repede decât particulele metalice care i-ar putea contamina, transformându-i în stele din Populația II.
Distincția între exploziile stelare din Populația III și verii lor mai obișnuiți din Populația II rămâne o provocare tehnică. Autorii calculează că, cu ajutorul lentilelor gravitaționale, putem detecta exploziile stelare din Populația III cu echipamentele moderne. Dar utilizarea lentilelor gravitaționale necesită mult noroc, deoarece obiectul căutat trebuie să fie aliniat direct cu galaxia care acționează ca lentilă. Acest noroc este și mai puțin probabil având în vedere raritatea condițiilor necesare formării acestor explozii stelare: o baie intensă de radiații UV și un buzunar de gaz curat, nepoluat.
Totuși, autorii estimează că, folosind studii precum GLIMPSE, conceput special pentru a utiliza lentile gravitaționale, cercetătorii ar putea găsi până la nouă astfel de explozii stelare târzii din Populația III. Dacă o lucrare din următorii ani va descrie exact acest lucru, această lucrare va fi probabil unul dintre punctele sale de referință, dacă nu chiar inspirația pentru respectiva cercetare.
