Nový objev změnil naše znalosti o prvních hvězdách

Na připojeném obrázku je infračervený snímek Malého Magellanova mračna pořízený vesmírnou observatoří Herschel Evropské kosmické agentury (ESA). Kroužky označují pozice pozorované radioteleskopem ALMA a odpovídající zvětšený obraz pozorovaného molekulárního mračna z rádiových vln vyzařovaných oxidem uhelnatým. Zvětšené obrázky orámované žlutě označují vláknité struktury. Obrázky v modrém rámečku označují načechrané útvary.

Hvězdy se rodí v hustých molekulárních mračnech, ale vznikaly tak vždy? Nejnovější výzkumy naznačují, že v raném vesmíru některé hvězdy vznikaly spíše z „načechraných“ molekulárních mračen než z vláknitých. Studiem Malého Magellanova mračna, galaxie s podmínkami podobnými ranému vesmíru, vědci zjistili, že struktura a teplota mračna ovlivňují vznik hvězd. Tento objev naznačuje, že těžké prvky mohou hrát klíčovou roli při formování hvězd a planet, které se v galaxiích formují.

Jak vznikají hvězdy a bylo to tak vždycky?
Hvězdy se rodí v rozsáhlých oblastech vesmíru známých jako hvězdné porodnice, kde se hromadí hustá mračna plynu a prachu a vytvářejí se nové hvězdy. Tyto hvězdné školky, nazývané také molekulární mračna, se mohou rozprostírat na stovky světelných let a dát vzniknout tisícům hvězd. Přestože vědci díky moderním teleskopům a technologiím dobře chápou proces vzniku hvězd, mnoho detailů zůstává nejasných. Jednou z klíčových otázek je, zda hvězdy v raném vesmíru vznikaly stejným způsobem jako dnes.

Nová studie, kterou 20. února 2025 publikovali v časopise The Astrophysical Journal vědci z Kyushu University a Osaka Metropolitan University, naznačuje, že tvorba hvězd v raném vesmíru mohla probíhat jinak. Jejich závěry založené na pozorování Malého Magellanova mračna (SMC) – trpasličí galaxie poblíž Mléčné dráhy – naznačují, že některé rané hvězdy vznikaly v „načechraných“ molekulárních mračnech, což je rozdíl od strukturovaných mračen, která dnes pozorujeme v naší Galaxii.

Molekulární mračna a tvorba hvězd
V Mléčné dráze mají molekulární mračna, v nichž se tvoří hvězdy, obvykle dlouhý, vláknitý tvar, široký asi 0,3 světelného roku. Vědci se domnívají, že naše Sluneční soustava vznikla v podobném prostředí, kde se velké vláknité molekulární mračno rozpadlo a vytvořilo hustá jádra, známá také jako jádra molekulárních mračen. Během stovek tisíc let gravitace vtáhla plyn a prach do těchto jader, kde nakonec došlo k zažehnutí jaderné fúze a vzniku nových hvězd.

„I když se dnes naše chápání vzniku hvězd stále vyvíjí, pochopit, jak hvězdy vznikaly v raném vesmíru, je ještě náročnější,“ vysvětluje Kazuki Tokuda, postdoktorand Fellow at Kyushu University’s Faculty of Science a první autor studie. „Raný vesmír byl zcela odlišný od toho dnešního, byl zaplněn převážně vodíkem a heliem. Těžší prvky vznikly později ve hvězdách s vysokou hmotností. Nemůžeme se vrátit v čase a studovat vznik hvězd v raném vesmíru, ale můžeme pozorovat části vesmíru s prostředím podobným tomu v raném vesmíru.“

Rádiové vlny vyzařované molekulami oxidu uhelnatého jsou na přiloženém obrázku znázorněny barevně. Čím jasnější barva, tím silnější rádiové záření. Křížky uprostřed označují přítomnost obřích malých hvězd. Na levém obrázku je znázorněn molekulární oblak s vláknitou strukturou a na pravém obrázku je příklad molekulárního oblaku s nadýchaným tvarem. Měřítko: jeden světelný rok.

Malé Magellanovo mračno jako okno do minulosti
Tým se zaměřil na Malé Magellanovo mračno (SMC), trpasličí galaxii poblíž Mléčné dráhy, vzdálenou od Země asi 20 000 světelných let. SMC obsahuje jen asi pětinu těžkých prvků Mléčné dráhy, takže se velmi blíží kosmickému prostředí raného vesmíru před asi 10 miliardami let. Prostorové rozlišení pro pozorování molekulových mračen v SMC však bylo často nedostatečné a nebylo jasné, zda je vůbec možné pozorovat vláknitou strukturu.

Naštěstí radioteleskop ALMA v Chile je dostatečně výkonný na to, aby pořídil snímky SMC s vyšším rozlišením a určil přítomnost či nepřítomnost filamentárních molekulárních mračen.

Nadýchaná vs. vláknitá molekulární mračna
„Celkem jsme shromáždili a analyzovali data ze 17 molekulárních mračen. V každé z těchto oblastí rostly malé hvězdy o hmotnosti 20krát větší než hmotnost našeho Slunce,“ pokračuje Tokuda. „Zjistili jsme, že přibližně 60 % pozorovaných molekulárních mračen mělo vláknitou strukturu o šířce asi 0,3 světelného roku, ale zbývajících 40 % mělo 'načechraný' tvar. Navíc teplota uvnitř filamentárních molekulárních mračen byla vyšší než u načechraných molekulárních mračen.“

Tento teplotní rozdíl mezi vláknitými a načechranými mraky je pravděpodobně způsoben tím, jak dávno mrak vznikl. Zpočátku byly všechny mraky filamentární s vysokou teplotou, což bylo způsobeno vzájemnými srážkami mraků. Když je teplota vysoká, turbulence v molekulárním mračnu je slabá. Když však teplota oblaku klesá, kinetická energie přicházejícího plynu způsobuje větší turbulenci a vyhlazuje vláknitou strukturu, což vede ke vzniku načechraného oblaku.

Pokud si molekulární mračno zachová svůj vláknitý tvar, je pravděpodobnější, že se podél své dlouhé „šňůry“ rozpadne a vytvoří mnoho hvězd, jako je naše Slunce, což jsou hvězdy o malé hmotnosti s planetárními systémy. Na druhou stranu, pokud se filamentární struktura neudrží, může být pro takové hvězdy obtížné vzniknout.

Úloha těžkých prvků při zrodu hvězd
„Tato studie naznačuje, že například dostatečný přísun těžkých prvků je klíčový pro udržení vláknité struktury a může hrát důležitou roli při vzniku planetárních systémů,“ uzavírá Tokuda. „V budoucnu bude důležité porovnat naše výsledky s pozorováními molekulárních mračen v prostředí bohatém na těžké prvky, včetně naší Galaxie. Takové studie by měly přinést nové poznatky o vzniku a časovém vývoji molekulárních mračen a vesmíru.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/a-strange-discovery-just-changed-what-we-know-about-the-first-stars/ a https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/325/

autor: František Martinek