Prastarý hvězdný prach odhaluje tajemství prvních hvězd

Nicolas Laporte (University College London) a mezinárodní tým jeho kolegů využili radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ke sledování objektů s katalogovým označením A2744_YD4, což je nejmladší a nejvzdálenější galaxie, jaká byla dosud pozorována pomocí tohoto zařízení. K jejich překvapení se jim podařilo odhalit, že tato mladinká galaxie obsahuje značné množství mezihvězdného prachu – částic, které vznikly v závěrečném stádiu vývoje hvězd.

Následná pozorování provedená pomocí přístroje X-shooter, který pracuje ve spojení s dalekohledem ESO/VLT (Very Large Telescope), potvrdila enormní vzdálenost sledovaného objektu. Galaxii vidíme tak, jak vypadala, když byl vesmír pouze 600 milionů let starý, tedy v období, kdy vznikaly první hvězdy a galaxie [1].

„A2744_YD4 není jen nejvzdálenější galaxií, jakou jsme s pomocí ALMA pozorovali. Objev takového množství prachu dokazuje, že prostor galaxie je již vyplněn materiálem vyvrženým během prvních explozí supernov,“ říká Nicolas Laporte.

Kosmický prach obsahuje především křemík, uhlík a hliník a vyskytuje se v zrnech o průměru miliontiny centimetru. Chemické prvky v těchto částicích vznikly v nitrech hvězd a jsou rozptýleny do okolního vesmíru v závěrečné fázi jejich vývoje. Nejnápadnější je tento proces při explozi supernovy, kterou zakončují svůj život velmi hmotné hvězdy. Dnes je tohoto prachu ve vesmíru značné množství a představuje klíčovou složku při vzniku dalších hvězd, planet a komplexních molekul. V počátečních fázích vývoje vesmíru – před zánikem hvězd první generace – ho však bylo pomálu.

Zaznamenání na prach bohaté galaxie A2744_YD4 bylo možné pouze díky její geometrické poloze – nachází se z našeho pohledu za hmotnou kupou galaxií Abell 2744 [2]. Díky jevu, který je znám jako gravitační čočka (gravitational lensing), funguje mezilehlá kupa jako kosmický dalekohled, který způsobuje zdánlivé zvětšení obrazu vzdálené galaxie A2744_YD4 asi 1,8krát. Pouze díky tomu se členům vědeckého týmu podařilo nahlédnout takto hluboko do vesmíru.

Pozorování provedená pomocí ALMA odhalila u objektu A2744_YD4 rovněž vyzařování ionizovaného kyslíku. Jedná se o nejvzdálenější a tedy nejranější objekt ve vesmíru, u kterého se kyslík podařilo detekovat. Toto pozorování tak překonalo výsledek dosažený pomocí ALMA v roce 2016.

Detekce prachu v mladém vesmíru poskytuje nové informace o tom, kdy docházelo k prvním explozím supernov a tedy o období, kdy první hvězdy začaly ozařovat dosud temný vesmír. Stanovení okamžiku tohoto ‚kosmického úsvitu‘ je jedním ze ‚svatých grálů‘ moderní astronomie a je možné jej odvodit na základě sledování výskytu mezihvězdného prachu.

Vědci se domnívají, že galaxie A2744_YD4 obsahuje množství prachu ekvivalentní 6 milionům hmot Slunce, zatímco celková hmotnost galaxie – hmotnost jejích hvězd – je asi 2 miliardy Sluncí. Členové týmu rovněž změřili rychlost hvězdotvorby v A2744_YD4 a zjistili, že probíhá rychlostí asi 20 hmotností Slunce za rok – pro srovnání, v naší galaxii je to pouze 1 hmotnost Slunce za rok [3].

„Taková rychlost není nijak neobvyklá u takto vzdálené galaxie, ale ukazuje, jak rychle se prach v A2744_YD4 vytvořil,“ vysvětluje Richard Ellis (ESO a University College London), spoluautor práce. „Pozoruhodné je, že k tomu bylo potřeba pouze 200 milionů let – takže tuto galaxii pozorujeme krátce po jejím vzniku.“

To znamená, že období významné hvězdotvorby začalo přibližně 200 milionů let před fází vývoje, v jaké galaxii dnes pozorujeme. To přináší pro ALMA mimořádnou příležitost pomoci při studiu období, kdy se v galaxiích zažehly první hvězdy – tedy nejstarší dosud pozorované epochy vývoje vesmíru. Také naše Slunce, planeta Země a samotná existence lidstva je – dnes po 13 miliardách let – produktem první generace hvězd. Studiem jejich formování, života a smrti zkoumáme naše vlastní kořeny.

„S pomocí ALMA jsou naše vyhlídky na proniknutí hlouběji do vesmíru a detailní výzkum podobných galaxií v raných fázích vývoje vesmíru velmi slibné“, doplňuje Richard Ellis.

A Nicolas Laporte ještě dodává: „Další měření tohoto typu nabízejí vzrušující vyhlídky na sledování rané hvězdotvorby a produkce těžších prvků v ještě starším období vývoje vesmíru.“

Zdroj

Poznámky

[1] Čas odpovídá rudému posuvu z=8.38 a tedy období reionizace.

[2] Abell 2744 je hmotná kupa galaxií nacházející se ve vzdálenosti 3,5 miliardy světelných let (rudý posuv z=0,308), u které se předpokládá, že vznikla následkem spojení čtyř menších galaktických kup. Přezdívá se jí Pandořina kupa (Pandora’s Cluster), a to kvůli řadě podivných jevů, které se odehrály právě následkem mohutné kolize před asi 350 miliony let. Galaxie však tvoří pouze asi 5 % hmoty kupy. Temná hmota tvoří 57 % a poskytuje tak dostatečné gravitační působení k zakřivení paprsků a zvětšení obrazu vzdálenějších galaxií. Předpokládá se, že zbylých asi 20% hmoty v kupě je ve formě horkého plynu.   

[3] To znamená, že celková hmotnost hvězd vytvořených v galaxii během jednoho roku je ekvivalentní dvacetinásobku hmotnosti Slunce.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “Dust in the Reionization Era: ALMA Observations of a z =8.38 Gravitationally-Lensed Galaxy” autorů Laporte a kol., který byl publikován ve vědeckém časopise Astrophysical Journal Letters.

Složení týmu: N. Laporte (University College London, UK), R. S. Ellis (University College London, UK; ESO, Garching, Německo), F. Boone (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, Francie), F. E. Bauer (Pontificia Universidad Católica de Chile, Instituto de Astrofísica, Santiago, Chile), D. Quénard (Queen Mary University of London, London, UK), G. Roberts-Borsani (University College London, UK), R. Pelló (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, Francie), I. Pérez-Fournon (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Španělsko; Universidad de La Laguna, Tenerife, Španělsko) a A. Streblyanska (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Španělsko; Universidad de La Laguna, Tenerife, Španělsko).

Astronomická observatoř ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) je mezinárodním partnerským projektem organizací ESO, NSF (US National Science Foundation) a NINS (National Institutes of Natural Sciences) v Japonsku ve spolupráci s Chilskou republikou. ALMA je za členské státy financována ESO, NSF ve spolupráci s NRC (National Research Council of Canada) a NSC (National Science Council of Taiwan) a NINS ve spolupráci s AS (Academia Sinica) na Taiwanu a KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) v Koreji.

Výstavba a provoz observatoře ALMA jsou ze strany Evropy řízeny ESO, ze strany Severní Ameriky NRAO (National Radio Astronomy Observatory), která je řízena AUI (Associated Universities, Inc.), a za východní Asii NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan). Spojená observatoř ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) poskytuje jednotné vedení a řízení stavby, plánování a provoz teleskopu ALMA.

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• vědecký článek
• snímky teleskopu ALMA

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Nicolas Laporte; University College London; United Kingdom; Tel.: +44 2 035 495 802; Mobil: +44 7452 807 591; Email: n.laporte@ucl.ac.uk

Richard Ellis; ESO; Garching bei München, Germany; Tel.: +44 7885 403334; Mobil: +49 151 629 56829; Email: rellis@eso.org

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org