פרדוקס של כוכבים עשירי מתכת ביקום המוקדם  

מחקר של תמונה שצולמה על ידי ה-JWST הוביל לגילוי של גלקסיה ביקום הקדום כמיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, שחתימת האור שלו מיוחסת לגז הערפילי שלו שהאיר את כוכביו. הגלקסיה, המכונה כעת GS-NDG-9422, מורכבת מבחינה כימית ואין בה כוכבי אוכלוסייה III. באופן דומה, הגלקסיה הרחוקה ביותר JADES-GS-z14-0 נוצרה ביקום המוקדם כ-290 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול נמצאה שיש בה מתכות. לפי ההבנה הנוכחית, הדור הראשון של כוכבים של היקום המוקדם צריך להיות כוכבי אוכלוסיה III עם אפס מתכתיות. באסטרונומיה, כל יסוד כבד יותר מהליום נחשב למתכת. לא-מתכות כימיות כמו חמצן, חנקן וכו' הן מתכות בהקשר קוסמולוגי. כוכבים מקבלים מתכת מועשרת בכל דור לאחר אירוע הסופרנובה.   

באמצעות תמונה שנלכדה על ידי מכשיר NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) של טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), חוקרים זיהו גלקסיה ייחודית מהיקום המוקדם בשינוי אדום של Z=5.943 המקביל למיליארד שנים בערך לאחר המפץ הגדול. הגלקסיה הזו, המכונה כעת GS-NDG-9422, עשויה להיות שלב חוליה חסרה של התפתחות גלקטית בין הכוכבים הראשונים של היקום לבין גלקסיות מבוססות היטב. 

לתמונת הנקודה הקלושה של הגלקסיה GS-NDG-9422 יש חתימת אור ייחודית. מקור האור הנראה בתמונה הוא הגז החם של הגלקסיה. האור לא הגיע מהכוכבים שלו.  

בניגוד לכוכבים מסיביים ביקום המקומי שלנו שהטמפרטורה שלהם היא כ-40,000 עד 50,000 מעלות צלזיוס, הכוכבים בגלקסיית GS-NDG-9422 חמים במיוחד. אולי, גלקסיה זו הייתה בשלב היווצרות כוכבים בתוך ערפילית גז צפופה שיצרה מספר רב של כוכבים מסיביים וחמים כאשר האור עזב את הגלקסיה הזו לפני כ-12.8 מיליארד שנים כדי להגיע ל-JWST כעת. התצפית מתאימה למודל המחשב, לפיו הפצצה מתמדת של הגז הערפילי על ידי הפוטונים של הכוכבים החמים חיממה את הגז הערפילי ליותר מ-80,000 מעלות צלזיוס ואיפשרה לו להאיר באור כמעט אינפרא-אדום בהירות יותר מאשר הכוכבים.  

גלקסיה הנשלטת על ידי אור ערפילי (ולא אור כוכבים) תואמת את הסביבות של הדור הראשון של הכוכבים של היקום המוקדם. כוכבים בגלקסיות כאלה הם פופ. כוכבים III עם אפס מתכתיות. עם זאת, באופן מפתיע, לגלקסיה GS-NDG-9422 אין כוכבי אוכלוסייה III. נתוני JWST מראים כי GS-NDG-9422 מורכב מבחינה כימית.  

המקרה של הגלקסיה הרחוקה ביותר JADES-GS-z14-0 שנוצר ביקום המוקדם כ-290 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול עדיין מביך יותר. כוכבים בגלקסיה הזו צריכים להיות פופ. עם זאת, כוכבים III בעלי מתכתיות אפסית, מחקר של תכונות האינפרא אדום של גלקסיית JADES-GS-z14-0 מגלה נוכחות של חמצן, מה שאומר שהעשרת מתכת מרמזת שדורות של כוכבים כבר היו צריכים להשלים את מחזור החיים שלהם.  

לכוכבים הראשונים ביקום יש אפס מתכת או מתכת נמוכה במיוחד. הם נקראים כוכבי פופ III (או כוכבי אוכלוסייה III). כוכבי מתכת נמוכים הם כוכבי Pop II. לכוכבים צעירים יש תכולת מתכת גבוהה והם מכונים "כוכבי פופ אי" או כוכבי המתכת הסולאריים. עם מתכתיות גבוהה יחסית של 1.4%, השמש היא כוכב לאחרונה. באסטרונומיה, כל יסוד כבד יותר מהליום נחשב למתכת. לא-מתכות כימיות כמו חמצן, חנקן וכו' הן מתכות בהקשר קוסמולוגי. כוכבים מקבלים מתכת מועשרת בכל דור לאחר אירוע הסופרנובה. הגדלת תכולת המתכות בכוכבים מצביעה על גיל צעיר יותר. 

*** 

הפניות:  

1. קמרון איי ג'יי, ואח' 2024. גלקסיות נשלטות על ידי ערפיליות: תובנות לגבי תפקוד המסה הראשונית של הכוכבים בהיסט לאדום גבוה. פורסם: 21 ביוני 2024. הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומית, כרך 534, גיליון 1, אוקטובר 2024, עמודים 523–543, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stae1547 

2. חדשות נאס"א - בגלקסיה מוזרה, Webb של נאס"א מוצא קישור פוטנציאלי חסר לכוכבים הראשונים. זמין ב  https://science.nasa.gov/missions/webb/in-odd-galaxy-nasas-webb-finds-potential-missing-link-to-first-stars/  

3. Prasad U., 2024. היקום המוקדם: הגלקסיה הרחוקה ביותר "JADES-GS-z14-0" מאתגר את דגמי היווצרות הגלקסיה. אירופאי מדעי. פורסם ב-12 באוגוסט 2024. זמין ב https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/early-universe-the-most-distant-galaxy-jades-gs-z14-0-challenges-galaxy-formation-models/ 

***