Nové cesty ke studiu prvních hvězd vesmíru
Astronomové objevují nové způsoby, jak zkoumat první hvězdy vesmíru, tělesa daleko a příliš slabá na to, aby byla pozorována přímo, prostřednictvím analýzy signálu 21 cm, starodávného rádiového signálu, který zanechaly atomy vodíku krátce po Velkém třesku. Pochopení toho, jak se svět posunul z naprosté tmy k prvním zábleskům hvězdného světla, je důležitým milníkem v dějinách vesmíru, období nazývané kosmické úsvit.
Ani ty nejmodernější dalekohledy dneška nedokážou zachytit tyto nejranější hvězdy přímo, a proto je odhalení jejich základních vlastností jednou z nejtěžších úloh v astronomii.
Tým vědců nyní ukázal, že stopy o hmotnostech těchto prvních hvězd mohou být nalezeny ve specifickém rádiovém signálu. Tento signál je emitován atomy vodíku, které vyplnily prostor mezi ranými oblastmi, kde se vytvářely hvězdy, a vznikl přibližně 100 milionů let po Velkém třesku.
Vědci zkoumali, jak ty nejranější hvězdy a jejich pozůstatky měnily tento signál, nazývaný signál 21 cm, a ukazují, že rádioobservatoře, které budou brzy spuštěny, mají potenciál odhalit, jak se mladý vesmír vyvinul z téměř homogenního oblaku vodíku do vesmíru s bohatou strukturou, kterou vidíme dnes.
„Toto je jedinečná příležitost naučit se, jak se první světlo vesmíru objevilo z temnoty,“ řekla spoluautorka astronoma Anastasia Pialkov. „Přechod z chladného a temného vesmíru do vesmíru plného hvězd je příběh, který teprve začínáme chápat.“
Výzkum o generaci prvních hvězd vesmíru závisí na velmi slabém záření 21 cm, pradávné formě energie, která cestuje více než 13 miliard let. Tento signál je ovlivněn zářením z hvězd a raných černých děr a je tak jedním z mála způsobů, jak mohou vědci prozkoumat vesmír v jeho nejranějších stádiích.
REACH, SKA a hledání starobylého hvězdného světla
Pialkov vede teoretickou skupinu REACH, rádiovou anténu, která je jedním ze dvou důležitých projektů, které nám mohou pomoci naučit se o kosmickém úsvitu a období deionizace, kdy první hvězdy přetvářely neutrální atomy vodíku ve vesmíru. Přestože REACH, který zachycuje rádiové signály, je stále v kalibrační fázi, slibuje, že přinese data o raném vesmíru. SKA (Square Kilometre Array) – masivní pole antén ve výstavbě – mapuje kolísání kosmických signálů na rozsáhlých oblastech oblohy.
Oba projekty jsou zásadní pro zkoumání hmotnosti, osvětlení a rozložení nejranějších hvězd vesmíru. V aktuálním výzkumu Pialkov a její kolegové vyvinuli model, který provádí předpovědi o signálu 21 cm pro REACH a SKA a zjistili, že signál je citlivý na hmotnosti prvních hvězd.
„Jsme první skupina, která konzistentně zahrnuje do modelu závislost signálu 21 cm na hmotnostech prvních hvězd, včetně vlivu UV světla hvězd a emisí rentgenového záření z binárních rentgenových systémů, které vznikají, když první hvězdy umírají,“ uvedla Pialkov. „Tyto poznatky vyplývají z simulací, které kombinují primordiální podmínky vesmíru, jako je vodíko-heliová směs vytvořená Velkým třeskem.“
Když vědci vyvíjeli svůj teoretický model, zkoumali, jak signál 21 cm reaguje na rozložení hmoty prvních hvězd, které se nazývají hvězdy populace III. Zjistili, že v předchozích studiích nebyl tento vztah dostatečně oceněn, protože nebyly zohledněny počet a jasnost binárních rentgenových systémů – binárních systémů zahrnujících běžnou hvězdu a hvězdu s černou dírou – mezi hvězdami populace III, a jak ovlivňují signál 21 cm.
Statistický pohled na první hvězdy
Na rozdíl od optických teleskopů, jako je Hubbleův vesmírný teleskop, které snímají živé obrázky, radioastronomie se spoléhá na statistickou analýzu slabých signálů. REACH a SKA nebudou schopny fotografovat jednotlivé hvězdy, ale poskytnou informace o různých populacích hvězd, binárních rentgenových systémech a galaxiích.
„Je potřeba představivosti, aby se spojily rádiové daty se příběhem prvních hvězd, ale důsledky jsou hluboké,“ řekla Pialkov.
