Cea mai săracă galaxie care formează stelare a găsit vreodată indicii că primele galaxii apărute după nașterea universului au strălucit cu stele supermasive care au lăsat în urmă găuri negre mari.
Astfel de galaxii sunt rare acum, deoarece aproape de îndată ce o galaxie inițiază formarea stelelor, stelele masive produc cantități uriașe de oxigen, care este cel mai abundent element din cosmos după hidrogen și heliu. Astronomii apreciază puținele astfel de galaxii găsite aproape de casă pentru că oferă o privire asupra condițiilor în universul foarte timpuriu, înainte ca stelele să producă mult oxigen (SN: 8/7/19).
Raportul dintre oxigen și hidrogen al noii galaxii – o măsură standard a abundenței relative de oxigen în cosmos – este cu mult sub 2% din cel al Soarelui, raportează cercetătorii într-o lucrare care apare în Jurnalul de astrofizică și postat online pe 22 martie pe arXiv.org.
„Este destul de dificil să ridici un obiect atât de rar”, spune astrofizicianul Takashi Kojima, care, împreună cu colegii, a făcut descoperirea în timp ce era la Universitatea din Tokyo.
Denumită HSC J1631+4426, galaxia de record, găsită cu ajutorul telescopului Subaru din Hawaii, se află la 430 de milioane de ani lumină de Pământ, în constelația Hercules. Galaxia este o pitică, cu mult mai puține stele pentru a crea oxigen decât are Calea Lactee. Acele relativ puține stele i-au dat runtului doar un vârf de oxigen: un atom de oxigen la fiecare 126.000 de atomi de hidrogen. Este doar 1,2 până la 1,6% din nivelul de oxigen din soare.
„Orice galaxie nouă este bună”, spune Trinh Thuan, un astronom de la Universitatea Virginia din Charlottesville, care a ajutat la găsirea campionului precedent în urmă cu patru ani. „Numărăm numărul de [very oxygen-poor galaxies] în palma mâinii noastre.” Raportul oxigen-hidrogen al noii galaxii este de 83% față de deținătorul recordului precedent, J0811+4730, care se află la 620 de milioane de ani lumină distanță în constelația Lynx.
În HSC J1631+4426, Kojima și colegii săi găsesc, de asemenea, abundențe ciudate de un alt element chimic: fierul. În timp ce cantitatea totală de fier din galaxie este scăzută, „am descoperit că raportul abundenței fier-oxigen este surprinzător de mare”, spune el.
Același model apare și în galaxia săracă în oxigen din Lynx. În schimb, stelele antice din Calea Lactee au de obicei puțin fier în comparație cu oxigenul. Asta pentru că stelele nou-născute își obțin cea mai mare parte a fierului din exploziile stelelor cu viață lungă. Acele explozii nu au avut loc până când s-au format cele mai vechi stele ale Căii Lactee. Însă în cele două galaxii aproape curate, cantitatea de fier în raport cu oxigenul este la fel de mare ca cea a soarelui, care a dobândit cantități mari din ambele elemente de la generațiile anterioare de stele.
„Acesta este un model foarte neobișnuit și nu este evident cum să explic asta”, spune Volker Bromm, un astrofizician la Universitatea din Texas din Austin, care nu a fost implicat în descoperire.
Chiar înainte ca Kojima să-și obțină doctoratul. în 2020, a găsit o posibilă explicație: stelele de masă mare din grupuri de stele dense s-au fuzionat împreună pentru a face goliați stelari de peste 300 de ori mai masivi decât soarele. Aceste superstaruri au explodat apoi și și-au umplut casele galactice atât cu fier, cât și cu oxigen, ceea ce a condus la raporturi ridicate fier-oxigen în cele două galaxii primitive, precum și la o sursă de puțin oxigen care există acolo.
Nu se știe că nu există stele atât de masive în Calea Lactee modernă. Dar Kojima spune că prezența lor în cele două galaxii producătoare de stele cele mai sărace în oxigen sugerează că și galaxiile primordiale le-au avut.
Când superstarurile au murit, ar fi trebuit să lase în urmă găuri negre de masă intermediară, care sunt de peste 100 de ori mai masive decât soarele (SN: 9/2/20). Este de aproximativ 10 ori mai masiv decât găurile negre tipice, care se pot forma atunci când stelele strălucitoare mor.
Echipa lui Kojima vede dovezi pentru aceste găuri negre mari din galaxia recent descoperită. Gazul care se învârte în jurul unor găuri negre atât de mari ar trebui să devină atât de fierbinte încât să emită fotoni de înaltă energie sau particule de lumină. Datorită energiei lor ridicate, acești fotoni ar rupe electroni chiar și din atomii de heliu, care se agață strâns de electronii lor și transformă atomii în ioni încărcați pozitiv. Destul de sigur, galaxia din Hercules emite o lungime de undă de lumină albastră care vine de la astfel de ioni de heliu.
Galaxia care bate recorduri este „o previzualizare interesantă a lucrurilor care vor urma”, spune Bromm. În următorii ani, spune el, se vor deschide telescoape enorme care vor găsi și mai multe galaxii extreme (SN: 1/10/20). „Atunci vom avea un mod minunat de complementar de a învăța despre universul timpuriu.”