آیا ابرستاره‌های پرجرم می‌توانند توضیح دهند که این کهکشان چگونه نیتروژن خود را دریافت کرده است؟

ابرستاره‌های پرجرم ممکن است مقادیر غیرعادی نیتروژن را در یکی از دورترین کهکشان‌های شناخته شده، GN-z11 توضیح دهند.

این تصویر از میدان بررسی عمیق رصدخانه‌های بزرگ شمالی (GOODS) موقعیت کهکشان GN-z11 را نشان می‌دهد که نمای نزدیک آن در تصویر بزرگنمایی شده نشان داده شده است.

ناسا، ESA، P. Oesch (دانشگاه ییل)، G. Brammer (STScI)، P. van Dokkum (دانشگاه Yale)، و G. Illingworth (دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز)

یکی از دورترین کهکشانهای شناخته شده، GN-z11، ممکن است به طور غیرعادی غنی از نیتروژن باشد. محققان پیشنهاد می‌کنند که ستارگان پرجرم می‌توانند مسیری برای افزایش نیتروژن در این کهکشان اولیه فراهم کنند.

نگاهی جدید به یک کهکشان دور

GN-z11 زمانی دورترین جرم کیهانی شناخته شده بود. این کهکشان درخشان با تلسکوپ فضایی هابل در سال 2015 کشف شد و اکنون جیمزوب طیف سنج نفیس خود را به تعیین دقیق فاصله کهکشان و استخراج خواص آن تبدیل کرده است.

برداشت هنری از جت یک هسته فعال کهکشانی به سمت زمین. [ناسا/آزمایشگاه تصویر مفهومی مرکز پرواز فضایی گوددارد] طیف جدیدی از GN-z11 خطوط انتشار درخشان از چندین اتم از جمله نیتروژن را نشان می‌دهد. خطوط انتشار قوی در طیف یک کهکشان می‌تواند به این معنی باشد که کهکشان میزبان یک هسته کهکشانی فعال است – سیاهچاله‌ای پرجرم که گاز فوق‌گرم را از محیط اطرافش مصرف می‌کند – اما برخی از محققان گمان می‌کنند که این مورد برای GN-z11 صادق نیست. در عوض، خطوط قوی نیتروژن این کهکشان ممکن است به این معنی باشد که این کهکشان به طور غیرعادی غنی از آن عنصر است، اما مشخص نیست که این منبع نیتروژن از کجا آمده است. در یک مقاله تحقیقاتی اخیر، کریس ناگله و هیدیوکی اومدا از دانشگاه توکیو پیشنهاد می‌کنند که ستاره‌های پرجرم ممکن است علت آن باشند.

ابرستاره‌های پرجرم در کانون توجه

فرض بر این است که ستارگان پرجرم دارای جرمی بیش از صد برابر خورشید هستند و پرجرم‌ترین آنها ممکن است با جرمی بیش از 100000 خورشیدی در خود داشته باشند. اگر ستاره‌هایی در انتهای بالای این محدوده جرمی در اوایل جهان وجود داشته باشند، می‌توانند بذر سیاهچاله‌های بسیار پرجرم را ایجاد کنند و ویژگی‌های کهکشان‌هایی مانند GN-z11 را توضیح دهند.

ناگله و اومدا تکامل ستارگان پرجرم 1000، 10000، 50000 و 100000 خورشیدی را شبیه‌سازی کردند. هر یک از این ستارگان پرجرم با فراوانی فلزات (عناصر سنگین‌تر از هلیوم) فقط یک دهم خورشید شروع به کار کردند که نشان‌دهنده شرایط چند صد میلیون سال پس از انفجار بزرگ است. شبیه‌سازی‌های این تیم دینامیک سیالات، واکنش‌های هسته‌ای و نسبیت عام را برای دنبال کردن ستاره‌ها در حین تکامل ترکیب کردند. توده های بسیار متفاوت ستارگان شبیه‌سازی شده نتایج بسیار متفاوتی را به همراه داشت. ستاره 100000 خورشیدی منفجر شد و ستاره 50000 خورشیدی قبل از پایان فاز هیدروژن سوزی فروپاشید، در حالی که دو ستاره کم وزن از دنباله اصلی بدون حادثه تکامل یافتند.

نموداری که فراوانی یک عنصر را نسبت به فراوانی آن عنصر توسط خورشید نشان می‌دهد. ستارگان واقعاً با جرم بیشتر عناصر سنگین‌تر را تشکیل می‌دهند. فراوانی عناصر شیمیایی نسبت به مقدار موجود در خورشید. توجه داشته باشید که مدل‌های با جرم بالاتر، نیتروژن فوق خورشیدی (Z=7) و اکسیژن زیر خورشیدی (Z=8) تولید می‌کنند، در حالی که مدل‌های با جرم پایین‌تر مقادیر ابر‌خورشیدی از هر دو عنصر را تولید می‌کنند.

ناگله و اومدا 2023

فراوانی عناصر شیمیایی نسبت به مقدار موجود در خورشید. توجه داشته باشید که مدل‌های با جرم بالاتر، نیتروژن فوق خورشیدی (Z=7) و اکسیژن زیر خورشیدی (Z=8) تولید می‌کنند، در حالی که مدل‌های با جرم پایین‌تر مقادیر فوق‌خورشیدی از هر دو عنصر را تولید می‌کنند.. [Nagele and Umeda 2023] مدت زمان زندگی هر ستاره قبل از انفجار یا فروپاشی تعیین می‌کند که چقدر محیط اطراف خود را با فلزات غنی می‌کند و همچنین نسبت گونه‌های فلزی مختلف را نسبت به یکدیگر تعیین می‌کند. به عنوان مثال، ستارگان با جرم کمتر با عمر طولانی‌تر، مقادیر بیشتری از نیتروژن و اکسیژن را از طریق بادهای ستاره‌ای قدرتمند خود تولید کردند. از آنجایی که GN-z11 نشانه‌هایی از اکسیژن فراوان نشان نمی‌دهد، این بدان معناست که ستاره‌های 1000 و 10000 خورشیدی منابع غیر محتمل نیتروژن کهکشان هستند.

با این حال، ستارگان پرجرم‌تر، مقادیر بیشتری نیتروژن تولید می‌کنند، اما اکسیژن تولید نمی‌کنند، که منجر به الگوی فراوانی شیمیایی می‌شود که با آنچه برای GN-z11 می‌بینیم مطابقت دارد. ناگله و اومدا خاطرنشان می‌کنند که تفاوت‌های ظریفی وجود دارد که باید توسط شبیه‌سازی‌های آینده با وضوح زمانی دقیق‌تر بررسی شوند، اما از هم‌اکنون ستارگان پرجرم منبعی امیدوارکننده برای نیتروژن GN-z11 هستند و در مورد خاستگاه خود ستارگان، نویسندگان اشاره کردند که یکی از راه‌هایی که ستارگان پرجرم می‌توانند تشکیل شوند، برخورد کهکشان‌های پرجرماست و مشاهدات جدید یک “مه” را در اطراف GN-z11 نشان می‌دهد که ممکن است نشانه‌ای از چنین برخوردی باشد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

COULD SUPERMASSIVE STARS EXPLAIN HOW THIS GALAXY GOT ITS NITROGEN?

BY: AAS NOVA JUNE 13, 2023

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/could-supermassive-stars-explain-how-this-galaxy-got-its-nitrogen/