Młode galaktyki miały już cięższe pierwiastki. Ich gwiazdy mogły jednak słabiej tracić materię

Co ukształtowało galaktyki widoczne w młodym Wszechświecie? Odpowiedź wymaga spojrzenia zarówno na gaz przemieszczający się wokół galaktyk, jak i na gwiazdy, które wpływają na ich rozwój. Teleskop Jamesa Webba (JWST) dostarcza obserwacji odległych galaktyk, a przegląd TEMPOS prowadzony za pomocą teleskopu Hubble’a bada pobliskie gwiazdy w środowiskach ubogich w cięższe pierwiastki. Te pobliskie układy pomagają sprawdzać założenia modeli wczesnych galaktyk. 110

Gaz był wzbogacony już na początku

Trzy galaktyki badane przez JWST widzimy takimi, jakimi były około 520–650 mln lat po Wielkim Wybuchu. W ich gazie występują cięższe pierwiastki, w tym węgiel, tlen i krzem. To znak, że wcześniejsze gwiazdy zdążyły je wytworzyć, a materia wydostała się poza miejsca powstania. Obserwacje wskazują również na ruch wzbogaconego gazu na zewnątrz galaktyk.

Sugeruje to, że wcześnie zaczynał się kształtować cykl materii: gaz zasila powstawanie gwiazd, a część materii odpływa z galaktyki. Samo wykrycie odpływu nie dowodzi jednak, że gaz później do niej wrócił.

Odkrycie ma też znaczenie dla poszukiwań gwiazd populacji III — pierwszych gwiazd, powstałych z materii niezawierającej cięższych pierwiastków. Gaz, w którym widać takie pierwiastki, nie jest już pierwotny. Ewentualny chemiczny ślad pozostawiony przez pierwsze gwiazdy nie oznacza zaś, że zaobserwowano same gwiazdy. Wyniki ograniczają oczekiwania co do znalezienia bezpośrednio widocznej populacji bez cięższych pierwiastków w gazie objętym tymi obserwacjami, nie wykluczają jej istnienia wszędzie.

Hubble sprawdza fizykę gwiazd, nie ten sam odpływ

W ramach TEMPOS zebrano widma w ultrafiolecie 29 masywnych gwiazd typu O w sześciu pobliskich galaktykach karłowatych ubogich w cięższe pierwiastki. Wstępne wyniki wskazują, że w najuboższych środowiskach wiatry gwiazdowe — strumienie materii opuszczającej gwiazdy — są zaskakująco słabe. Ich siła może spadać wyraźniej, niż przewiduje proste przedłużenie dotychczasowej zależności, poniżej około jednej dziesiątej słonecznej zawartości cięższych pierwiastków. Zarówno ten próg, jak i skala spadku wymagają dalszego sprawdzenia. 161013

Wiatr pojedynczej gwiazdy to nie to samo co odpływ gazu w skali całej galaktyki obserwowany przez JWST. Wiatry są jednak jednym ze sposobów, w jakie masywne gwiazdy tracą materię i oddziałują na otoczenie. Jeśli modele źle szacują ich siłę, mogą też inaczej przewidywać rozwój młodych galaktyk. TEMPOS pozwala sprawdzić to założenie na pobliskich obiektach; nie mierzy wiatrów gwiazd w odległych galaktykach Webba ani nie rozstrzyga, co wywołało obserwowane tam odpływy. 13

Dlaczego sam tlen nie wystarczy?

Wiatry napędzane promieniowaniem zależą od jonów cięższych pierwiastków w atmosferze gwiazdy. TEMPOS wykazuje różnice w pochłanianiu światła przez żelazo. To komplikuje częstą praktykę używania zawartości tlenu w gazie galaktyki jako zastępczej miary składu jej gwiazd. Wcześniejsze badania galaktyk wyjątkowo ubogich w cięższe pierwiastki również pokazały, że pomiary żelaza w gwiazdach i tlenu w gazie nie muszą wskazywać na takie same proporcje pierwiastków. 346

Dla astronomów to wskazówka, by w modelach badać różne możliwe siły wiatrów przy małej zawartości cięższych pierwiastków oraz różne proporcje samych pierwiastków — obok dopływu gazu, jego odpływu i wzbogacania chemicznego. Obie serie obserwacji zawężają pole możliwych wyjaśnień złożoności młodych galaktyk widzianych przez JWST. Nie składają się jeszcze na jedną, potwierdzoną odpowiedź. 1410