Ето какво мога да ни кажа Zwicky 18 за първите звезди във Вселената

Галактика със синьо джудже само на 59 милиона светлинни години може да приюти братовчеди на мистериозните звезди от население III.

Първите звезди във Вселената бяха за разлика от всички, които можем да видим днес. Познати на астрономите като звезди от население III, те бяха големи, масивни и съставени почти изцяло от водород и хелий. Звездите на населението III са били важни, защото обогатявали междузвездната среда с метали - всички елементи по-тежки от водорода и хелия - и участвали в реионизация, събитие няколкостотин милиона години след Големия взрив, което направи Вселената по-прозрачна.

Намирането на звезди от население III може да потвърди важни части от нашите теории за космологията и звездната еволюция. Въпреки това, всички те трябва да са тръгнали от Млечния път до сега, след като са избухнали като супернова отдавна. Можем да погледнем в далечната вселена, за да ги търсим на високи червени смени - и наистина, космическият телескоп Джеймс Уеб ще направи точно това - но откриването на отделни звезди на това разстояние е извън нашите сегашни възможности. Досега телескопите не са обърнали нищо.

Изображението на космическия телескоп Хъбъл от I Zwicky 18 показва газ, осветен от млади сини звезди. Кредит за изображение: NASA / ESA / A. Aloisi.

Последните наблюдения на близката галактика джудже на име I Zwicky 18 обаче ни дадоха известна надежда. Само на 59 милиона светлинни години изглежда, галактиката съдържа облаци от водород, които почти не съдържат метали. Нещо повече - преминава през изблик на звездно образувание, което може да произвежда звезди, много приличащи на звезди от население III. Ако можехме да научим повече за тази галактика, тя би могла да ни даде информация за това как изглеждат най-ранните звезди и галактики във Вселената.

Първата ли е настоящата вълна от образуване на звезди?

Първоначалните HI наблюдения на I Zwicky 18 използваха радиоинтерферометъра във Westerbork, в Холандия. Кредитна снимка: Потребителят на Wikipedia Onderwijsgek, под лиценза Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Нидерландия.

Едно от първите проучвания, което насочи вниманието към възможността I Zwicky 18 да образува звезди, аналогични на населението III, беше от Lequex & Viallefond 1980. Те допълниха съществуващите оптични наблюдения на HII региони - облаци от йонизиран газ, които приютяват млади, горещи, масивни звезди - с проучвания на HI региони чрез 21-сантиметровата емисионна линия, ключов инструмент за картографиране на неутрален водород. Те се опитваха да разберат дали сегашният кръг от масивно образуване на звезди в джуджетата галактика е първият му или ако е бил предшестван от други събития, замърсяващи водородните облаци с метали.

Техните радио наблюдения с Радиотелескопа за синтез на Westerbork откриха обща HI маса от около 70 милиона слънчеви маси в шест отделни региона, три от които останаха нерешени. Те не успяха да свържат отделни компоненти с картите на HII регионите, но радиалните измервания на скоростта на облаците установяват, че общата маса на галактиката е много по-голяма с около десет фактора, което предполага, че има някакъв друг вид маса.

Имаше две възможности: или невижданата маса беше молекулен водород - който не излъчва 21-сантиметрова радиация - или имаше слабо население от по-стари звезди. Хипотезата за молекулярния водород не може да бъде изключена, но идеята за все още невиждана група звезди беше привлекателна. От една страна, HI облаците изглеждаха доста подобни на първоначалните облаци, необходими за образуването на галактика. Ако тези HI региони всъщност бяха изначални, тогава тези мъгливи звезди биха могли да ги подкрепят срещу гравитационния срив в продължение на милиарди години.

Фигура 5, Lequex & Viallefond 1980. Карта на HI регионите в галактиката показва, че три (с етикети 1, 2 и 5) са достатъчно големи, за да бъдат разрешени, докато останалите са точкови източници. Региони 1, 4 и 5 са ​​най-масовите.

Започна да се появява картина. Сравнението на непрекъснатата емисия на Лиман с далечната ултравиолетова емисия показва, че избухването на звездното образуване трябва да е започнало преди около няколко милиона години, вероятно поради сблъсъка на няколко водородни облака. Преди това щеше да има образуване на тъмни червени звезди в по-малък мащаб, но не достатъчно, за да се обогати галактиката повече от предложените ниски изобилия на кислород. Следователно звездите, образуващи се в I Zwicky 18, наистина трябва да са много близки до звездите на Население III.

С какви звезди имаме работа?

Фигура 1, Kehrig et al. 2015. Композитно (водородна алфа + UV + r-лента) изображение на светещи възли в галактиката джудже, които показват интензивно излъчване на хелий.

Идеята застигна през следващите няколко десетилетия и астрономите се заинтересуваха да определят естеството на тези млади звезди. Една група (Kehrig et al. 2015) беше особено заинтересована да определи какъв тип масивни звезди биха могли да обяснят най-добре линията He II λ4686, индикатор за твърдо излъчване и горещи звезди, йонизиращи материали в райони, образуващи HII звезди. Имаше няколко възможни виновници:

  • Звезди от ранен тип Wolf-Rayet, за които се смята, че са отговорни за голяма част от емисиите He II λ4686 в галактиките, образуващи звезди.
  • Шокове и рентгенови двоични файлове, които са открити и в извънгалактични HII райони.
  • Изключително бедни на метал O звезди или - отивайки една стъпка по-нататък - изцяло без метални O звезди, подобно на Популация III звезди.

Групата бързо изключи звездите на Wolf-Rayet. Ключовите подписи на бедни на метали въглеродни звезди Wolf-Rayet бяха ясно очевидни в спектрите, но изведеното число, базирано на линията C IV λ1550, беше твърде малко, за да отчете цялата емисия на хелий. По същия начин, бинарната възможност за рентгенови лъчи беше отхвърлена, тъй като намерената двойна рентгенова снимка беше твърде затъмнена с коефициент 100.

Фигура 2, Kehrig et al. 2015. Област с висока емисии на Hα и He II λ4686 показва малко припокриване с [OI] λ6300 емисии и нисък [S II] контраст, което изключва възможността от рентгенови удари.

Въпреки това, група от може би десетина или повече звезди без метал със сто или повече слънчеви маси биха могли да възпроизведат наблюдаваната линия He II λ4686. В близост до възел в северозападния ръб на галактиката има джобове газ, които са лишени от метали и биха осигурили подходяща среда за формиране на тези звезди, въпреки че там също има вероятност химически обогатени звезди. Някои модели с изключително голяма маса (~ 300 слънчеви маси) предлагат алтернатива на тези звезди без метал, но в светлината на предишните наблюдения, моделите без метал остават примамливи.

Засега нашите телескопи не могат да открият звезди от население III. Докато не го направят, все още можем да научим много за ранната Вселена, като изучаваме сини компактни джуджеви галактики като I Zwicky 18. Аналозите без ниско червено изместване на първите звезди във Вселената са достатъчно близки, за да можем да ги изучим днес. Най-бедната на метал галактика във Вселената е добро място за стартиране.