Egy nemzetközi kutatócsoport a valaha látott legősibb csillaghalmazokat pillantotta meg a James Webb űrteleszkóppal. Az ehhez hasonló, gravitációsan összetartozó csillagokból felépülő csillagcsoportosulások alapjaiban határozhatták meg a korai univerzumban a galaxisok fejlődését.

Angela Adamo, a Stockholmi Egyetem csillagászának és kollégáinak a Nature-ben hétfőn közölt felfedezésében az a legelképesztőbb, hogy a felfedezett struktúrák mérete mennyire eltörpül ahhoz képest, hogy a nekik otthont adó galaxis milyen távol van tőlünk. Az öt csillaghalmaz a Kozmikus Drágakövek Ív (Cosmic Gems Arc, CGA) nevű galaxisban található, amelyet az űrtávcső 460 millió évvel a 13,78 milliárd évvel ezelőtti ősrobbanás utáni formájában figyel meg.

„Az ezekből a csillaghalmazokból eredő visszacsatolás jelentős hatást gyakorol a galaxisban található csillagközi térre, fémeket és erős csillagszeleket indítva” – nyilatkozta a Qubitnek Adamo, aki szerint ezek a halmazok drasztikus hatást gyakorolnak a nekik otthont adó galaxisra.

Bár a 6,5 méteres főtükörrel szerelt, infravörös tartományban mérő James Webb a legfejlettebb űrteleszkóp, amit valaha elindítottak, az ilyen felfoghatatlanul távoli, halvány galaxisok megfigyeléséhez egy kis segítségére van szüksége. Ezt a SPT-CL J0615-5746 kódjelű galaxishalmaz biztosítja, amely nagyjából félúton helyezkedik el köztünk és a CGA galaxis között.

A rengeteg galaxisból álló, nagyon nagy tömegű halmaz lényegében kozmikus nagyítóként funkcionál, és a gravitációs lencsehatás jelenségén keresztül jelentősen felerősíti a mögötte található objektumok, köztük a csillaghalmazokat tartalmazó galaxisnak a képét. Kérdésünkre Adamo azt írta, hogy a CGA galaxis egy rendkívül erős nagyítású régiót szel át, és így képe 50-500-szoros nagyításban jelenik meg.

A CGA galaxist még a Hubble űrtávcső által a galaxishalmazról készített felvételeken találták meg, de a mostani felfedezéshez már a James Webb nagyobb fénygyűjtő képességére volt szükség. A kutatók a galaxist 2023 szeptemberében figyelték meg a közeli infravörös tartományban mérő NIRCam műszerrel. A NIRCam képes érzékelni a legkorábbi csillagokból, valamint galaxisokból érkező fényt, de kulcsszerepet játszik más csillagok körül keringő bolygók megfigyelésében is, és felvételek mellett spektroszkópiai méréseket is tud készíteni.

Adamo és kollégái a messzi galaxis gravitációsan torzított képén 5 fényes, csomós struktúrát figyeltek meg, amiket be is kategorizáltak csillaghalmaz-jelöltekként, majd nekiálltak a jellemzőik feltárásának. Ehhez előbb szofisztikált modellekkel kompenzálniuk kellett a CGA képét felnagyító és eltorzító galaxishalmaz lencsehatását, majd további modellek és a megfigyelések összevetésével elemezni a látottakat.

A csillaghalmazok voltak az ősi galaxisok legizgalmasabb helyei

A CGA-ból hozzánk érkező fény már erősen vöröseltolódott (az objektumtól érkező fény hullámhosszának az univerzum tágulásával történő növekedése, jele: z), amire a James Webb 10,2-es értéket állapított meg. Ez azt jelenti, hogy a galaxistól a fény 13 300 000 000 évet utazott, amíg elért a teleszkóphoz. Adamo szerint a galaxist erős vöröseltolódása és a galaxishalmaz által biztosított nagy nagyítás miatt választották célpontként, ami lehetővé tette néhány parszeknyi (1 parszek 3,26 fényévnek felel meg) méretskálák vizsgálatát is.

A CGA-ról az is kiderült, hogy más korai galaxisokhoz hasonlóan alacsony fémtartalmú, és csillagai átlagosan 79 millió évesnél fiatalabbak, azaz 381 millió évvel az ősrobbanás után, vagy később születtek.

A kutatók által azonosított öt csillaghalmaz a galaxisnak egy kompakt, 70 parszeknél (228 fényév) kisebb régiójában helyezkednek el, és 8,3 millió naptömegükkel 30 százalékát teszik ki a galaxisban megtalálható csillagok teljes tömegének. Így nem csoda, hogy ezek a kezdetleges, közel gömb alakú csillaghalmazok (gömbhalmazok) meghatározták a galaxis alakját is, ugyanis jelentős mozgási momentumot biztosítanak neki, és sok energiát sugározhattak környezetükbe. Emellett a galaxisban ezek a régiók voltak a csillagkeletkezés fő helyszínei, amit a kutatók szerint megfigyeléseik mellett a nagy felbontású szimulációk is alátámasztanak.

A csillaghalmazok mérete nagyjából 1 parszek, ami kevesebb, mint a Nap és a hozzánk legközelebbi csillag, a Proxima Centauri közötti 4,24 fényévnyi távolság. Korábban a legkisebb struktúrák, amiket ilyen távoli galaxisokban megfigyeltek csillagászok, 20-70 parszek (65-228 fényév) effektív sugarúak voltak – a kutatók a csillaghalmazok kiterjedését az általában galaxisok méretének meghatározására használt, úgynevezett effektív sugár mennyiséggel adják meg, amely sugáron (r) belül az objektum teljes fényességének fele megtalálható.

A csillagász szerint a legfontosabb lépés a halmazok kis méretének és nagyon nagy tömegének a meghatározása volt, ami kizárta azt, hogy magányos csillagokról van szó. „Hatalmas meglepetés volt, hogy 5 masszív, nagyon kompakt csillaghalmazt találtunk egy ilyen halvány galaxisban” – írta Adamo.

Ha a néhány fényéves kiterjedésüket kombináljuk az 1-2 milliós naptömegükkel, rögtön kiderül, hogy ezek a struktúrák elképesztően sűrűek, azaz rengeteg csillag – a lokális univerzumban található gömbhalmazokhoz képest ezerszer több – szűkölködik egy kis térrészen belül. Ennek több következménye is van. Egyrészt belsejükben sok, masszív csillagokból keletkező csillagtömegű fekete lyuk jöhet létre, amelyek aztán később köztes tömegű fekete lyukakká egyesülhetnek.

Emellett a molekulafelhőből, amelyből a csillagok keletkeztek, így ionizáló hidrogén sugárzás szökhet ki, amivel a csillaghalmazok hozzájárulhatnak a kozmikus reionizációhoz. Az ősrobbanás után 150 millió évvel kezdődő és 850 millió évvel később befejeződő folyamat során a semleges töltésű atomokból – elsősorban a hidrogénből – ionok alakultak ki. A jelenlegi vélekedés szerint a reionizáció a korai törpegalaxisokban ment végbe, mint amilyen a CGA is.

A kutatók a csillaghalmazok korát 9-36 millió év közé teszik (424-451 millió évvel az ősrobbanás után), ami arra utal, hogy a csillagok keletkezése a galaxis ezen kis méretű régiójában már több tízmillió éve zajlik. Miután meghatározták a csillaghalmazok korát, tömegét, és méretét, azt is igazolni tudták, hogy gravitációsan kötöttek, vagyis a csillagokat gravitációjuk egymáshoz láncolja – amivel így teljesítik a csillaghalmazok definícióját.

De léteznek-e még ezek a proto-gömbhalmazok, amiket 13,3 milliárd évvel ezelőtti formájukban vettek észre az űrteleszkóppal? A kutatók szerint ezt nehéz megjósolni, de több esélyük van a túlélésre, ha az évmilliárdok során dinamikus folyamatok kilökték őket a galaxisuk halójába, vagyis a galaxis fősíkján kívülre.

Adamo kérdésünkre azt írta, hogy jelenleg új, a galaxisról vett spektroszkópiai megfigyelésekre várnak, amelyek segítenek majd a további fizikai jellemzők feltárásában és a csillaghalmazok galaxison belüli térre gyakorolt hatásának megértésében.