Obrazek wyróżniający: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine via Wikimedia Commons

W roku 1944 astronom Walter Baade podzielił gwiazdy w Drodze Mlecznej na dwie populacje gwiazdowe. Skategoryzowane zostały ze względu na wiek, gdzie populacja I to gwiazdy młode, o wysokiej metaliczności (zawartości pierwiastków cięższych niż hel), a populacja II to gwiazdy starsze i co się z tym wiąże, o niższym stężeniu metali. Podział ten został z astronomią aż do dziś – lecz już od dłuższego czasu zapowiada się zmiana.

Jak się wydaje, ponad 80-letnia klasyfikacja jest niepełna – co nie jest szczególnie zaskakujące, biorąc pod uwagę, że kiedy powstawała, nie było żadnego stworzonego przez człowieka satelity na orbicie i nie były w pełni rozwinięte ani teoria Wielkiego Wybuchu, ani teoria gwiezdnej nukleosyntezy. Dlatego z czasem pojawiły się kandydatki na gwiazdy III populacji, czyli takie, które: składałyby się praktycznie wyłącznie z wodoru i helu, byłyby bardzo masywne i jasne. Problem jest taki, że mimo upływu dziesięcioleci od zaproponowania tej kategorii, żadnej z kandydatek ostatecznie nie potwierdzono.

Wielki pościg za pierwotnymi gwiazdami

Od kilku lat pojawiają się jednak obiecujące ślady tajemniczej III populacji. Nic w tym zresztą dziwnego, gdyż znalezienie takich gwiazd jest istotnym celem teleskopu Jamesa Webba (JWST). W maju 2024 roku znalezione zostały istotne wskaźniki w galaktyce RX J2129–z8He II, co umożliwił właśnie JWST. W październiku następnego roku stało się to ponownie, bo nowoodkryta galaktyka LAP1-B zdawała się spełniać trzy najbardziej kluczowe kryteria, którym musiałaby sprostać galaktyka z gwiazdami III populacji. Jednak dalej było to za mało, by oficjalnie potwierdzić odnalezienie III populacji.

Udowodnienie istnienia gwiazd III populacji jest kłopotliwe, ponieważ te pierwotne obiekty – składające się wyłącznie z wodoru i helu – uformowały się w trakcie kosmicznego świtu i dawno zakończyły swój cykl życia. Ich bezpośrednia obserwacja w momencie narodzin jest niezwykle trudna, a wykrycie ich światła nawet za pomocą Teleskopu Webba pozostaje ogromnym wyzwaniem, możliwym w zasadzie tylko w skrajnych warunkach silnie zagęszczonych regionów.

Z tego powodu astronomowie muszą polegać na metodach pośrednich. Kluczem okazuje się poszukiwanie chemicznych „odcisków palców” – unikalnych proporcji pierwiastków (takich jak podwyższone stężenia węgla i krzemu względem tlenu) uwolnionych przez supernowe pierwszych gwiazd, które zanieczyściły otaczający gaz.

Obserwując widma światła odległych kwazarów przechodzących przez takie obłoki gazu oraz łącząc je z głębokimi przeglądami galaktyk za pomocą JWST, naukowcy mogą dziś namierzać te pierwotne sygnatury. Jednak nawet gdy się to udaje, to często dalej nie wystarcza, bo np. dochodzi dalej do śladowych detekcji metali, jak było w przypadku LAP1-B. Ponadto odnalezienie skupiska, które całkowicie pozbawione jest metali, byłoby dalej pośrednim dowodem, który mógłby teoretycznie mieć inne wyjaśnienie.

Droga do pełnoprawnego potwierdzenia istnienia gwiazdy III populacji wymaga ekstremalnego zbiegu okoliczności i bezbłędnej technologii, ponieważ sam teleskop Webba jest zbyt słaby, by samodzielnie dostrzec tak odległy i pojedynczy obiekt. Naukowcy potrzebują rzadkiego zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, w którym masywna gromada galaktyk zadziała jak kosmiczna lupa, na moment potęgując blask jednej gwiazdy. W tym krótkim oknie czasowym musi zostać wykonana spektroskopia o ultrawysokiej czułości, która wykaże, że linie węgla, tlenu czy żelaza są poniżej progu detekcji przy jednoczesnym silnym sygnale zjonizowanego helu.

W takim układzie pozostaje jedynie prowadzenie dalszych badań, które być może wyłonią inną metodę lub rozwiną obecną. Przykład drugiego działania ukazał się 29 września w czasopiśmie Nature Astronomy.

Droga do mety

Jak było wspomniane, istotną przeszkodą na drodze do potwierdzenia istnienia gwiazd III populacji jest ich odległość, a co za tym idzie, bardzo niska jasność. Gdy mówi się o zaglądaniu w przeszłość Wszechświata, wykorzystuje się wielkość z, czyli przesunięcie ku czerwieni. Światło z odległych obiektów podróżuje do nas miliardy lat, a w tym czasie rozszerzająca się przestrzeń rozciąga jego fale, przez co docierają do nas dłuższe, czerwieńsze niż w chwili emisji. Przesunięcie ku czerwieni jest w tym przypadku dobrą miarą, ponieważ im większe z, tym dalej w przeszłość patrzymy. Teoretyczne modele przewidują, że pierwsze gwiazdy powstawały przy z ≈ 20–30, czyli zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Wraz z przywołanym badaniem pojawia się jednak ciekawy zwrot. Zespół kierowany przez Zihao Li z Cosmic Dawn Center w Kopenhadze zajrzał nie w najdalsze zakątki Wszechświata, lecz w epokę z ≈ 6, czyli około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Jeśli pierwotne gwiazdy mogły powstawać tak późno, jak sugerują niektóre modele, to byłyby znacznie bliżej, a zatem łatwiej byłoby je zbadać. Najdalsza kandydatka na gwiazdę III populacji Earendel ma właśnie z o wartości około 6,2 i wykryto ją dzięki wspomnianemu procesowi soczewkowania grawitacyjnego.

Droga do znalezienia III populacji gwiazd jest dalej zatem długa. Postęp jest jednak ewidentny i kto wie, może badanie, które umożliwi przełom, jest już w trakcie pisania. Biorąc pod uwagę, jak gorący jest temat – w świetle prężnej pracy JWST – nie byłoby to zaskakujące.

Korekta – Remigiusz Lewandowski