Tych gwiazd nawet Webb może nie dojrzeć, choć (są) one miliony razy jaśniejsze od Słońca

Kosmos tylko teoretycznie stoi dla nas otworem. Nie dość, że takie misje jak Artemis mają problem by się w ten odleglejszy kosmos wybrać, to nie wszystkie obiekty w tym kosmosie da się obserwować. Pewne ograniczenia wydają się oczywiste, jak te, które narzuca materia w dysku i centrum Galaktyki, która przesłania to co znajduje się za nią.

To dlatego astronomowie nie mogą obserwować przestrzeni poza Droga Mleczną na powierzchni około 10% nieba. Po prostu w tym kierunku widać tylko obiekty naszej galaktyki, a to co dalej kryje się za gęstym welonem pyłu i licznych gwiazd naszego otoczenia jest bardzo trudne do dostrzeżenia.

Astronomom udało się przedrzeć przez pył Drogi Mlecznej

Z tym ograniczeniem można oczywiście walczyć i jednym ze sposobów są obserwacje w podczerwieni. Wymagają one długotrwałych cykli obserwacyjnych, ale zdają się przynosić powoli efekty. W ramach projektu VVV Survey udało się prawdopodobnie wykryć dużą strukturę, składającą się z kilkudziesięciu galaktyk, dokładnie za Drogą Mleczną.

Obserwacje w ramach VVV Survey prowadzone są z pomocą teleskopu VISTA na Cerro Paranal. Na zdjęciu gigapanorama w kierunku centrum galaktyki

Jednak i w tym przypadku możliwości obserwacyjne jakimi dysponujemy zdają się być ograniczone (powyższe zdjęcie można zoomować i wtedy widać jak tłoczno jest w centrum Galaktyki) i trudno się spodziewać, by kierunek obserwacji przez dysk galaktyczny dał nam szansę sięgnięcia do obiektów z początku istnienia Wszechświata.

Początek Wszechświata wymaga obserwacji między innymi w podczerwieni

Początek Wszechświata jakim go znamy ostatnio przechodzi burzliwą przebudowę, bo pojawiły się nie tylko wątpliwości co do modelu Standardowego, ale też potrzeby występowania pewnych etapów ewolucji kosmosu. To jednak temat na inną, szerszą dyskusję, natomiast ograniczając się do tego co wiemy, możemy zaprząc do obserwacji teleskop kosmiczny Webb.

Obserwacje początków Wszechświata to sięganie w przeszłość. W praktyce nie możemy zobaczyć całego kosmosu takim jaki jest aktualnie. Im dalej się spoglądamy tym starszym go widzimy. Można powiedzieć, że obserwujemy go w każdym momencie jego istnienia, ale każdy fragment przestrzeni w innym przedziale czasowym

Ten dzięki swoim niespotykanym wcześniej możliwościom obserwacji w podczerwieni jest w stanie zaobserwować wyjątkowo odległe galaktyki i być może tworzące je gwiazdy. Jednak czy jest w stanie sięgnąć do czasów (bo obserwacje w dal to także obserwacje przeszłości), gdy wszechświat był młodziutki i miał nie więcej niż kilkaset milionów lat, a pierwsze gwiazdy, z których potem tworzyły się pierwsze galaktyki, dopiero powstawały?

Czym są gwiazdy, które jako pierwsze powstały we Wszechświecie?

Gwiazdy pierwotne (z angielskiego primordial stars), to gwiazdy tzw. trzeciej populacji, grupy obiektów, które wciąż traktowane są jako teoretyczny, a nie kiedykolwiek już bezpośrednio zaobserwowany i potwierdzony. To najwcześniej powstałe i najmniej zróżnicowane pod względem składu gwiazdy. Był on podobny do składu kosmosu w pierwszych eonach istnienia wszechświata. Takie gwiazdy pierwotne składały się z 3/4 z wodoru w 1/4 z helu i miały znikomą domieszkę litu.

Skład pierwotnych gwiazd w porównaniu ze Słońcem oraz orientacyjna różnica w rozmiarze (fot: STScI)

Nasze Słońce, jako gwiazda pierwszej populacji, czyli stosunkowo młoda, również w większości zawiera głównie wodór i hel, ale ma też bogata domieszkę cięższych pierwiastków na poziomie 2% ogólnego składu, czyli jej tak zwana metaliczność jest wysoka.

Są też gwiazdy drugiej populacji, które mają niską, ale jednak wykrywalną zawartość metali i zwykle są to bardzo stare, niewielkie gwiazdy. Powstały one po tym co po sobie zostawiły gwiazdy trzeciej populacji. Te wzbogaciły kosmos o pierwszą dawkę masywniejszych metali, dlatego druga populacja zawiera już pewną ich domieszkę w składzie.

A te ze względu na brak metali w składzie, były wedle przewidywań wszystkie bardzo masywne. Dużo większe niż Słońce, dużo szybciej się starzały i wybuchały jako supernowe. Dlatego ich poszukiwania obejmują czas, gdy istniały, czyli pierwsze etapy istnienia Wszechświata, a to oznacza obserwacje najodleglejszych obiektów. I tutaj rodzi się pytanie, czy te pierwotne gwiazdy były wystarczająco jasne?

Gwiazd pierwotnych, najmłodszych z III populacji gwiazd, poszukujemy w początkach istnienia Wszechświata, obserwując najodleglejsze jego zakątki, bo prawdopodobnie tylko wtedy takie gwiazdy istniały

Bo obserwacja ich pozostałości (czarne dziury, gwiazdy neutronowe, a nawet białe karły), które z pewnością znaleźlibyśmy także w mniejszej odległości od Słońca, przy bezpośrednim powiązaniu z pierwotnym obiektem raczej nie wchodzi w rachubę. Jest też perspektywa, że cześć pierwotnych gwiazd miała niewielką masę i takie wciąż istniałyby i byłyby możliwe do znalezienia w Drodze Mlecznej, ale nic takiego dotychczas się nie stało.

Czy Webb dostrzeże pierwotne gwiazdy i galaktyki? O ile istnieją

Dziś po przebyciu prawie 13,8 miliarda lat świetlnych, fotony z tych gwiazd uległy ogromnemu poczerwienieniu, a ich strumień osłabieniu ze względu na materię międzygalaktyczną znajdującą się na drodze do detektorów podczerwieni w teleskopie Webb. Oczywistym jest więc założenie, że te gwiazdy, pomimo ogromnej jasności, a także tworzone z nich pierwsze galaktyki, będą bardzo słabymi źródłami światła na naszym niebie.

W trakcie podróży od pierwotnej gwiazdy do teleskopu Webb, fotony światła tracą energię, a widmo gwiazdy z ultrafioletu przesuwa się w stronę widzialnego i podczerwieni (fot: STScI)

Grupa astronomów postanowiła wykonać teoretyczną symulację jak bardzo światło tych gwiazd zostałoby osłabione, nawet przy założeniu, że na drodze do obserwatora nie byłoby żadnych przeszkód. Rezultat nie nastraja pozytywnie, choć są prace, w których sugeruje się inaczej.

Niestety takie pierwotne gwiazdy i złożone z nich galaktyki będą praktycznie niemożliwe do zaobserwowania nawet instrumentami Webba, chyba że kontrola misji zdecyduje się na wyjątkowo długie czasy ekspozycji (nawet około 50 dni), a źródłowe gwiazdy będą wyjątkowo masywne i jasne. Jednak większość z nich, pomimo ogromnej jasności i tak będzie po prostu za słabo świecącymi obiektami dla obserwatora na Ziemi.

Jest oczywiście pewna furtka, nawet przy Webbie …

… a jest nią soczewkowanie grawitacyjne, które prowadzi do wzmocnienia światła z odległych gwiazd, galaktyk. To właśnie dzięki niemu, Webb jest, a także będzie w przyszłości, sięgać ku odleglejszym obiektom, niż wynikałoby to z jego zasięgu obserwacji. Mimo to, by zobaczyć pierwsze galaktyki bez dodatkowej pomocy w postaci soczewkowania, czyli parafrazując żarty pod adresem zimowych zdobywców K2, w sposób, który będzie się liczył, potrzeba jeszcze potężniejszego niż Webb teleskopu.

Earendel, najodleglejsza gwiazda zaobserwowana dotychczas przez teleskop Hubble'a. Właśnie dzięki soczewkowaniu zobaczyliśmy obiekt, z którego światło wyemitowano 12,9 miliarda lat temu. Na wstawce widoczna lokalizacja gwiazdy w jednym z łuków soczewkowanego obrazu. Webb ma szanse w ten sposób sięgnąć dalej niz Hubble

Wsparciem dla dostępnego nam potencjału teleskopu kosmicznego Webb, mogą być też superteleskopy budowane obecnie na Ziemi, takie jak Gigantyczny Teleskop Magellana ze zwierciadłem o efektywnej średnicy około 25 metrów.

Źródło: phys.org, inf. własna, STScI