Uhvaćena svjetlost svemirske zore. Potraga za zvijezdama sa samog početka univerzuma

Gravitacijske leće - svojevrsne naočale svemira - mogu nam omogućiti promatranje i proučavanje izuzetno dalekih galaksija i zvijezda koje bi inače bilo nemoguće opaziti, piše Lana Ceraj u tekstu o otkriću Earendel, dosad najudaljenjijoj opaženoj zvijezdi. Početak je to novog poglavlja istraživanja fizike zvijezda, pogotovo u trenucima kada je svemir još bio mlad.

• Naslovna fotografija: Jato galaksija uslikano teleskopom James Webb. Zvijezda Earendel vidljiva je kao dio luka, na kojem se ponavlja. (NASA)

• Autorica je postdoktorska istraživačica u Laboratoriju za astročestičnu fiziku i astrofiziku Instituta Ruđer Bošković

Zvijezde obasjavaju naš nebeski svod i fasciniraju nas od pamtivijeka pa sve do danas. U svemiru prepunom zvijezda, astrofizičari očekuju da njihov broj doseže 200 trilijardi. Od prvih opažanja golim očima, do današnjih pogleda u nebo kroz moderne teleskope, tek smo zagrebali pod površinu cijelog svemirskog carstva zvijezda našeg svemira. Pri promatranju zvijezda u drugim galaksijama, ograničeni smo na tek nekoliko relativno bliskih galaksija. A znamo da ih svemir krije na milijarde! Stoga smo svi ostali iznenađeni jedinstvenim pogledom u rane trenutke svemira zahvaljujući naočalama koje nam je pružio sam svemir.

U beskrajnoj tmini noćnog neba, zvijezde su oduvijek bila izvor inspiracije za razne mitove i priče o nastanku svijeta i ljudske uloge u njemu. Od drevnih grčkih i nordijskih mitova pa do simbolike Betlehemske zvijezde, zvijezde su kroz povijest fascinirale ljudski um. Ova fascinacija i drevna povezanost sa zvijezdama danas dobivaju novu dimenziju kroz najnovija otkrića u astronomiji. U moderno vrijeme, astronomi su kroz pažljiva promatranja omogućili bolje razumijevanje našeg mjesta u svemiru, istražujući ulogu zvijezda u razvoju i očuvanju života na Zemlji.

Tradicionalno se najčešće koristilo promatranje svemira kroz optičke teleskope koji su dizajnirani da opažaju svjetlost vidljivu ljudskom oku. Vjerojatno najpoznatiji teleskop, svemirski teleskop Hubble, opažajući vidljivu svjetlost otvorio nam je vrata u blizak i izrazito dalek svemir. U njegovim slikama otkrili smo gomile zvijezda naše galaksije Mliječne staze, ali i postojanje izrazito dalekih galaksija. Međutim, opažanja vidljive svjetlosti imaju svoje ograničenje: ona su nemoćna pred oblacima plina i prašine koji priječe izravan pogled na brojne svemirske okoliše. To se može vidjeti na slikama koje pokazuju vidljivu svjetlost nebeskih izvora, na kojima se jasno razabiru tamni oblaci koji smetaju izravnom pogledu na ono što se nalazi iza njih.

Svemirska letjelica Gaia Europske svemirske agencije (engl. European Space Agency, ESA) koja sa sobom nosi dva snažna teleskopa ima zadaću stvaranja najpreciznije mape zvijezda naše galaksije. Na temelju opažanja napravljenih između 2014. i 2016. godine, konstruirana je ova detaljna mapa naše galaksije. Osim gotovo 1,7 milijarde zvijezda, na ovoj mapi se vide i bliske patuljaste galaksije Mali i Veliki Magellanov oblak (donji desni dio slike), a u pozadini su prisutne i brojne pozadinske daleke galaksije. (ESA/Gaia/DPAC)

Jedan od teleskopa izrađenih da nadiđe te probleme je svemirski teleskop James Webb. Za razliku od Hubblea, koji je većinski fokusiran na promatranje vidljive svjetlosti, James Webb dizajniran je da promatra zaprašene i zamagljene dijelove svemira. Webb promatra vrstu svjetlosti koju nazivamo infracrvenom i koja nema mnogo problema s prolaskom kroz svemirske oblake plina i prašine. Na taj način Webb pruža pogled prema do sad ne viđenim zvijezdama, galaksijama i egzotičnim okolinama koje do sad nismo imali prilike vidjeti do finih detalja kakve on pruža.

Kada pogledamo noćno nebo golim okom, sve zvijezde koje vidimo su zvijezde naše galaksije Mliječne staze. Pomoću teleskopa, naš horizont se pomiče i možemo vidjeti mnogo udaljenije pojedinačne zvijezde. No naša mogućnost opažanja pojedinačnih zvijezda ograničena je na nama najbliže galaksije kao što su Andromeda ili pak Mali i Veliki Magellanovi oblaci. Većinu zvijezda u ostalim galaksijama ne možemo izravno opaziti zbog ograničenja u rezoluciji teleskopa. To znači da nam zvijezde u tim galaksijama na slikama više ne izgledaju kao točkice, već je njihova svjetlost stopljena sa svjetlošću brojnih susjednih zvijezda njihove galaksije. Ono što vidimo kao oblik dalekih galaksija, obojeno je ukupnom svjetlošću zvijezda, dok se informacija o pojedinim zvijezdama lagano gubi što je udaljenost tih galaksija od nas veća.

Naš svemir star je oko 13,8 milijardi godina i danas je prepun tvari koja je zahvaljujući gravitaciji sabrana iz međuzvjezdanih oblaka plina i prašine u zvijezde i njihove planete te sva manja tijela planetnih sustava. No, svemir na svojim početcima je bio mnogo drugačije i egzotičnije mjesto. Nakon završetka primordijalne nukleosinteze, perioda u povijesti svemira tijekom kojeg su od početne vruće juhe čestica manjih od atoma nastali prvi stabilni atomi, svemir se gotovo u potpunosti sastojao od plina neutralnog vodika i helija. Nije bilo niti zvijezda, niti planeta, niti ostalih manjih nebeskih tijela. Od rođenja svemira do nastanka prvih zvijezda proteklo je nekoliko stotina milijuna godina. U tom periodu su plinovi, pod utjecajem gravitacije, započeli sabijanje u gušće nakupine tvari iz kojih su potom zasjale prve zvijezde našeg svemira.

Zvijezde u mladom svemiru bile su okružene vodikom koji jako dobro apsorbira svjetlost. To ih čini izuzetno izazovnim za opažanje jer su skrivene iza gustih oblaka vodika. (NASA, JPL-Caltech)

Prve zvijezde u svemiru bile su drugačije od onih koje možemo opaziti danas u našem kozmičkom susjedstvu. Prilikom usporedbe veličina zvijezda, astronomi uspoređuju mase zvijezda, a kao jedinicu za izražavanje mase koriste sunčeve mase. Jedna sunčeva masa, odnosno masa Sunca, iznosi otprilike 2 kvintilijuna (2*10³⁰) kilograma. Za usporedbu, nama relativno bliske zvijezde mogu imati do nekoliko desetaka puta veću masu od našeg Sunca, odnosno, njihova masa iznosi nekoliko desetaka sunčevih masa. S druge strane, zvijezde u ranom svemiru imale su i do nekoliko stotina puta veću masu od mase našeg Sunca. Te izuzetno velike i masivne zvijezde bile su pravi divovi u usporedbi s današnjim zvijezdama. Neki od modela razvoja prvih zvijezda u svemiru predviđaju da su one mogle imati mase od nekoliko stotina do nekoliko tisuća puta veće od Sunca. Ta prva generacija zvijezda, koju astronomi nazivaju i zvijezdama populacije III, nisu imale metala u svojim unutrašnjostima te je stoga njihov spektralni potpis po tome drugačiji od svih zvijezda koje smo do danas opazili. Doduše, izravno opažanje zvijezda koje su toliko daleke praktički je nemoguće jer je njihov sjaj, odaslan prema nama pred gotovo 13 milijardi godina, daleko ispod razine detekcije naših teleskopa te je tek djelić gomile izmiješanih informacija kombiniranih u kozmički pozadinski šum.

U svijetu astrofizike, ponekad i sam svemir pomogne u svom razotkrivanju. Gravitacijske leće predstavljaju ključni alat za znanstvenike koji žele istražiti najudaljenije dijelove svemira. One nastaju kada masivna tijela, poput galaksija ili skupina galaksija, svojom izuzetno velikom masom deformiraju prostor-vrijeme oko sebe. Time utječu na oblik putanje svjetlosti koja prolazi kroz zakrivljeni prostor. Dok u ravnom, nezakrivljenom, prostoru svjetlost putuje pravocrtno, u zakrivljenom prostoru putanja svjetlosti je zakrivljena. Osim efekta zakrivljenosti putanje svjetlosti, taj savijeni prostor djeluje i kao prirodna leća, fokusirajući svjetlost i stvarajući uvećane slike pozadinskog izvora. Zašto je to bitno? Odgovor leži u tome da nam gravitacijske leće omogućuju promatranje i proučavanje izuzetno dalekih galaksija i zvijezda koje bi inače bilo nemoguće opaziti. Ovaj prirodni fenomen djeluje kao svojevrsne naočale svemira, kroz čije leće proširujemo naše razumijevanje svemira.

Kada svjetlost pozadinske daleke galaksije prolazi pored izuzetno masivne nakupine tvari, kao što je jato galaksija, njezina putanja se zakrivi. To iskrivljenje putanje omogućuje da svjetlost dođe do promatrača i onda kada bi na klasičan način ta svjetlost bila zakriljena tim jatom galaksija. (NASA, ESA & L. Calcada. Modificirala L. Ceraj)

Fenomen gravitacijskih leća predviđen je već početkom 19. stoljeća na temelju izračuna Johanna Georga von Soldnera u sklopu Newtonovog općeg zakona gravitacije. Precizna predviđanja dao je Albert Einstein izračunom u sklopu svoje opće teorije relativnosti početkom 1915. godine. Prva gravitacijska leća detektirana je 1979. godine kada su znanstvenici Dennis Walsh, Bob Carswell i Ray Weymann otkrili dva kvazara međusobno vrlo blizu na nebeskoj sferi, na jednakim udaljenostima i s identičnim spektrom. Pokazalo se da zapravo nije riječ o dva kvazara, već o dvije slike istoga objekta koje su nastale kada je svjetlost tog kvazara bila zakrivljena na dvije putanje zbog gravitacijskog učinka galaksije koja je na njezinom putu do nas zakrivila prostor-vrijeme. Ti tzv. kvazari blizanci (engl. Twin Quasar) od tada su opažani nekoliko puta, a možda najdetaljnija slika napravljena je pomoću svemirskog teleskopa Hubble.

Kvazari blizanci, poznati i kao QSO 0957+561 A/B, dvije su sjajne točke nalik zvijezdama u sredini slike. Iako je prva ideja na temelju slike bila da je riječ o dvije zasebne galaksije, odnosno kvazara[1], usporedbom njihovih boja i udaljenosti znanstvenici su zaključili da je riječ zapravo o samo jednom kvazaru. Taj je kvazar od Zemlje udaljen 8,7 milijardi godina svjetlosti[2], a njegova svjetlost prošla je na putu do nas kroz gravitacijsku leću. Galaksija koja je u ovom slučaju imala ulogu gravitacijske leće udaljena je od nas oko 3,7 milijardi godina svjetlosti. (ESA/Hubble & NASA)

Od prve detekcije udaljenih galaksija pomoću učinka gravitacijskih leća, uz napredak teleskopa i računalnih modela, danas je moguće opaziti i izrazito daleke zvijezde koje se nalaze u tim dalekim galaksijama. WHL0137-LS, poznata i kao Earendel, otkrivena je 2022. godine pomoću svemirskog teleskopa Hubble u zviježđu Kita. Nadimak zvijezde Earendel inspiriran je mitologijom J.R.R.-a Tolkiena, a samo ime znači i “jutarnja zvijezda” na staroengleskom. Njezina galaksija-domaćin WHL0137-zD1, nosi pak nadimak Luk zore (engl. Sunrise Arc) što je prikladno ime budući da je svjetlost emitirala za vrijeme “zore” postojanja našeg svemira. Članak o otkriću zvijezde Earendel objavljen je u ožujku 2022. godine u časopisu Nature. Otkrivena je upravo zahvaljujući učinku gravitacijske leće pri čemu je kao leća poslužilo jato galaksija WHL0137-08. Povećanje koje je postignuto gigantskim jatom galaksija WHL0137-08 procjenjuje se na između šest i trideset pet tisuća puta. Ova zvijezda trenutno slovi kao najudaljenija zvijezda ikad opažena, a otkrivena je na udaljenosti od 28 milijardi svjetlosnih godina. Ono zbog čega je Earendel izrazito zanimljiva astrofizičarima je to što je dobar kandidat za zvijezde populacije III ili pak one koje su uslijedile odmah nakon njih.

Nakon otkrića Hubbleom, bila su potrebna dodatna opažanja svemirskim teleskopom James Webb kako bi se detaljnije odredila svojstva zvijezde. Upravo zahvaljujući tim opažanjima, smatra se da je Earendel masivna zvijezda spektralnog tipa B te da je njezina površinska temperatura oko dva puta veća od Sunčeve, odnosno da iznosi oko 12 000 K. Sjaj Earendel u odnosu na Sunce je čak milijun puta veći. Postoji mogućnost da Earendel nije pojedinačna zvijezda, već dvojni sustav zvijezda različitih temperatura i sjaja. No, daljnja opažanja su nužna za potvrđivanje ili odbacivanje te teze, kao i pobližeg određivanja njezinog točnog sastava. Informacije dobivene zahvaljujući istraživanju Earendel i njezine galaksije-domaćina omogućuju nam bolje razumijevanje nastanka skupova starih zvijezda koje nazivamo globularnim skupovima.

Ovu sliku napravio je svemirski teleskop James Webb. S lijeve je strane slike prikazano golemo jato galaksija WHL0137-08 koje zbog svoje velike mase djeluje kao gravitacijska leća. Pozadinska galaksija nazvana Luk zore (engl. Sunrise Arc) otkrivena je svemirskim teleskopom Hubble 2022. godine. Iako se sama galaksija nalazi u ranom svemiru, kada je svemir bio star oko milijardu godina, njena svjetlost je zakrivljena i uvećana zbog efekta gravitacijske leće jata galaksija WHL0137-08. (NASA, ESA, CSA, D. Coe – AURA/STScI for ESA, Z. Levay)

Od otkrića Earendel, Webb je detektirao druge vrlo udaljene zvijezde koristeći jednake metode, iako niti jednu toliko daleko kao Earendel. Međutim, ovakva otkrića otvaraju novo poglavlje istraživanja zvijezda i fizike zvijezda, pogotovo u trenucima kada je svemir bio mlad. Astrofizičari se nadaju da će upravo ovakva otkrića omogućiti pronalazak zvijezda III. generacije, čiji sastav je jednak sastavu svemira u ranim vremenima nakon Velikog praska.

Svemirski teleskop James Webb teleskop je koji opaža infracrvenu svjetlost. Lansiran je na Božić 2021. godine i od tada aktivno traga za još neviđenom svjetlošću skrivenom iza oblaka plina i prašine naše galaksije i cijelog svemira. Jedna od njegovih glavnih misija je istraživanje najranijih trenutaka svemira i opažanje prvih zvijezda. (NASA)

• Bilješke

[1] Kvazari su vrsta galaksije koja u svojoj sredini ima izuzetno sjajnu jezgru. Zbog načina na koji se galaksije mijenjaju kroz povijest svemira, kvazari su bili češći u mladom svemiru nego danas.

[2] Godina svjetlosti mjerna je jedinica za udaljenost. Definirana je kao udaljenost koju svjetlost prevali u vremenu od jedne godine, a iznosi otprilike 9 bilijuna kilometara.

• Literatura

Walsh, D.; Carswell, R. F.; Weymann, R. J. (31 May 1979). “0957 + 561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens?”. Nature. 279 (5712): 381–384

Welch,B.,Coe,D.,Zitrin,A.,etal.2022a,arXive-prints, arXiv:2207.03532. https://arxiv.org/abs/2207.03532

Welch, B., Coe, D., Diego, J.M., et al. (2022b). “A highly magnified star at redshift 6.2”. Nature. 603: 815-818

Welch, B., Coe, D., Zackrisson, E., et al. (2022c). “JWST Imagining of Earendel, the Extremely Magnified Star at Redshift z=6.2”, ApJL. 940