Hatalmas, fejlett csillagvárosok az univerzum hajnalán

Át kell írni a galaxisok kialakulásának elméletét

A 13,8 milliárd éve lezajlott ősrobbanás során megszülettek a szubatomi, belőlük pedig az atomi részecskék, majd az addig pozitív töltésű ionokként létező hidrogén és hélium atommagok befogták a negatív töltésű elektronokat, s a táguló fiatal világegyetemet elektromosan semleges hidrogén- és héliumgáz töltötte ki. Aztán kialakultak az első csillagok és galaxisok. De mikor s miként? Milyenek voltak ezek az ősi objektumok?

 A kutatási eredmények szerint 100–200 millió évvel az ősrobbanás után a teret többnyire semleges hidrogéngáz töltötte ki, melynek jelentős része aztán reionizálódott (az elektronok leszakadtak az atommagokról), majd a héliumgáz esetében is lejátszódott a folyamat, s ezt az időszakot nevezzük a reionizáció korszakának. A reionizáció bizonyított tény. De mi bocsátotta ki magából az ehhez szükséges ionizáló sugárzást? Nos, ősi csillagok, galaxisok, illetve a csillagvárosok fejlődése során keletkezett, gigantikus energiát termelő kvazárok, ezek az ősi aktív galaxismagok, melyekben a csillagvárosok középpontjában lévő több millió naptömegű fekete lyukakat hatalmas mennyiségű, beléjük áramló csillagközi anyag táplálja. A később keletkezett galaxisok és csillagok azonban tipikusan nem bocsátanak ki magukból jelentős ionizáló sugárzást, tehát az ősiek valamiképp eltérnek a későbbiektől. S mivel a megfigyelések szerint 600 millió évvel az ősrobbanás után a hidrogéngáz kb. harmada-negyede már ionizált állapotba került, már akkor is nagyszámú ősi galaxisnak kellett léteznie, miriádnyi csillaggal, mert csak együttes sugárzásuk idézhette elő ezt a jelenséget. Majd csaknem kétmilliárd évvel a hidrogéngáz reionizációja után a nagy energiájú ultraibolya sugárzást is termelő kvazárok óriási energiakibocsátása a hidrogénnél nehezebb héliumgázt is reionizálta.

A reionizáció időszakában, illetve azt megelőzően létrejött csillagvárosokat pedig immár meg is figyelhetjük az egyre fejlettebb távcsövekkel, teleszkóphálózatokkal. Az Európai Déli Obszervatórium segítségével a közelmúltban felfedezték a MACS1149-JD1 galaxist, mely már 550 millió évvel az ősrobbanás után létezett, s nem egy formátlan alakzat, hanem egy fejlett, forgó, spirális galaxis, ami azt bizonyítja, hogy a csillagvárosok hamarabb alakultak ki, és gyorsabban fejlődtek, mint azt az eddigi elméletek feltételezték. Ráadásul a csillagai is fejlettek, noha 300 millió évvel idősebbek, mint maga a galaxis, vagyis akkor alakultak ki, amikor az univerzum még csak kb. 250 millió éves volt. Ugyancsak a csillagvárosok gyors fejlődését bizonyítják a NASA James Webb űrtávcsöve által felfedezett galaxisok. A közelmúltban hat, kb. 500-700 millió évvel az ősrobbanás után kialakult csillagvárost vizsgáltak meg vele, a kutatások pedig meglepő eredményekhez vezettek. Kiderült, hogy sok, akár több százmillió éves csillag is található bennük, s összesen több tíz- vagy akár százmilliárd csillagot foglalnak magukban, vagyis a Tejútrendszerrel azonos vagy közel azonos méretűek, noha az eddigi elméletek alapján az univerzum e korai időszakában csak kisebb, ún. bébi galaxisok létezhettek volna. A kozmológiai modellek szerint ugyanis az ősrobbanást követő gyors tértágulás időszaka után a világegyetem néhány százmillió év alatt hűlt le annyira, hogy beindulhasson a csillagképződés, a kis csillag- és porfelhőkből pedig megszülessenek az első kicsiny galaxisok, majd lassan a nagyobb csillagvárosok. A James Webb által felfedezett mintegy 13,5 milliárd fényévre lévő fejlett galaxisok megléte viszont megcáfolja az eddigi elképzeléseket. S emellett az is bizonyossá vált, hogy a csillagképződés is hamarabb indult be, mint azt eddig feltételezték. Ugyancsak figyelemre méltó, hogy az ősi galaxisok központjában lévő hatalmas és a vártnál sokkal fejlettebb szupermasszív fekete lyukak tömege a csillagvárosok tömegének akár a 10 százalékát is kiteszi, ami rendkívül szokatlan, mivel a később létrejött galaxisok esetében ez az arány mindössze 0,01 százalék. Az okok tisztázása további kutatásokat igényel.

Ám még ezek az ősi csillagvárosok sem a legkorábbiak. A James Webb négy olyan galaxist is megfigyelt, melyek 350 millió évvel az ősrobbanás után már léteztek, bár sokkal kisebbek, mint a fentebb említett csillagvárosok. Az MoM-z14 kódjelű törpegalaxis pedig már akkor kialakult, amikor a világegyetem még csak 280 millió éves volt, s csillagai szokatlanul gazdagok nitrogénben, noha egyszerűen nem lehetett idejük nagyobb nitrogénmennyiség megtermelésére. Egy elmélet szerint a korai univerzum hidrogén- és héliumgáztól sűrű környezetében olyan óriási csillagok is kialakultak, melyek több nitrogént tudtak előállítani, mint a később születettek, ám ez a hipotézis még bizonyításra vár. A Capotauro galaxis pedig az előzetes vizsgálatok szerint mindössze 180 millió évvel az ősrobbanás után már létezett, ám ez a felfedezés még megerősítésre szorul. Mindenesetre a James Webb folytatja az ősi galaxisok utáni kutatást, miközben NASA már építi a még fejlettebb Nancy Grace Roman űrtávcsövet, így egyre több ősi csillagváros felfedezése várható. A galaxisok kialakulásának és fejlődésének elméletét pedig az új felfedezések fényében át kell dolgozni.

      Lajos Mihály