Přímé důkazy „monstrózních hvězd“ z kozmického rozbřesku

Mezinárodní tým výzkumníků vedený Centrem pro astrofyziku | Harvard & Smithsonian využil teleskopu Jamesa Webba k objevení chemických stop obřích primordiálních hvězd, které patřily mezi první, jež vznikly po Velkém třesku.

V Kamebridge, MA (9. prosince 2025) – Astronomové se již dvě desetiletí snaží vyřešit, jak mohly supermasivní černé díry, které patří mezi nejjasnější objekty v univerzu, existovat méně než miliardu let po Velkém třesku. Obvyklé hvězdy nemohly vytvořit tak masivní černé díry dostatečně rychle.

Nyní, díky NASA’s James Webb Space Telescope (JWST), tým astronomů zjistil první přesvědčivé důkazy, které tento kozmický záhadu osvětlily: “monstrózní hvězdy” o hmotnosti mezi 1 000 a 10 000x hmotností našeho Slunce existovaly v raném vesmíru. Tento průlom vyšel z analýzy chemických podpisů v galaxii nazvané GS 3073.

Kritická studie a její závěry

Nová studie, vedená vědci z Centra pro astrofyziku | Harvard & Smithsonian (CfA) a Univerzity v Portsmouthu v Anglii, objevila extrémní nerovnováhu mezi množstvím dusíku a kyslíku, kterou nelze vysvětlit žádným známým typem hvězdy.

V roce 2022 vědci publikovali práci v časopise Nature, kde predikovali, že supermasivní hvězdy se přirozeně formovaly ve vzácných, turbulentních proudech studeného plynu v raném vesmíru, což vysvětluje, jak mohly existovat kvazary (mimořádně jasné černé díry) méně než miliardu let po Velkém třesku.

„Naše poslední objevy pomáhají vyřešit dvacetiletý kozmický záhadu,“ uvedl Daniel Whalen z Ústavu pro kosmologii a gravitaci Univerzity v Portsmouthu. „S GS 3073 máme první pozorovací důkaz existence těchto monstrózních hvězd.“

Tito kosmičtí obři by jasně svítili krátký čas, než by se zhroutili do masivních černých děr, přičemž by zanechali chemické stopy, které dokážeme detekovat miliardy let později. Podobně jako dinosauři na Zemi, byli obrovští a primitivní. A měli krátký život, který trval pouze čtvrt milionu let, což je pro vesmír jako mrknutí oka.

Klíč k objevu

Klíčem k tomuto objevu bylo měření poměru dusíku k kyslíku v galaxii GS 3073. Tato galaxie obsahuje poměr dusíku a kyslíku 0.46, což je mnohem vyšší než by kdy mohl vytvořit jakýkoliv známý typ hvězdy nebo hvězdné exploze.

Devesh Nandal, postdoktorand Švýcarské národní vědecké nadace na Ústavu pro teorii a výpočty CfA, uvedl: „Chemické abundance působí jako kozmický otisk prstu a vzor v GS 3073 se v ničem nepodobá výrobkům normálních hvězd. Její extrémní dusík odpovídá pouze jednomu typu zdroje, který známe: primordiálním hvězdám tisíckrát hmotnějším než naše Slunce. To naznačuje, že první generace hvězd zahrnovala skutečně supermasivní objekty, které pomohly utvářet rané galaxie a možná obohatily dnešní supermasivní černé díry.“

Evoluce monstrózních hvězd

Vědci modelovali, jak hvězdy mezi 1 000 a 10 000 slunečními hmotnostmi vyvíjejí a jaké prvky produkují. Objevili konkrétní mechanismus, který vytváří obrovské množství dusíku:

Tato obrovské hvězdy spalují helium ve svých jádrech, což produkuje uhlík;
Uhlík uniká do okolního pláště, kde hoří vodík;
Uhlík se kombinuje s vodíkem a vytváří dusík prostřednictvím uhlíkového/nitrogen/oxigen (CNO) cyklu;
Konveční proudy rozdělují dusík po celé hvězdě;
Na konci je tento dusík bohatý materiál vyvržen do prostoru a obohacuje okolní plyn.

Tento proces pokračuje po miliony let během fáze spalování helia, což vytváří přebytek dusíku pozorovaný v GS 3073.

Modely, publikované v Astrofyzických časopisech, také předpovídají, co se stane, když tyto monstrózní hvězdy zemřou. Nevybuchnou. Místo toho se přímo zhroutí do masivních černých děr o hmotnosti tisíců slunečních hmotností.

Zajímavé je, že GS 3073 obsahuje aktivně se krmící černou díru u jejího centra, což by mohlo být pozůstatkem jedné z těchto supermasivních prvních hvězd. Pokud bude potvrzeno, vyřešilo by to současně dvě záhady: odkud pochází dusík a jak černá díra vznikla.

Nitrogenový podpis a jeho význam

Studie také zjistila, že tento dusíkový otisk se objevuje pouze v konkrétním rozsahu hmotností. Hvězdy menší než 1 000 slunečních hmotností nebo větší než 10 000 slunečních hmotností nevytvářejí správný chemický vzorec pro tento podpis, což naznačuje „sladkou zónu“ pro tento typ obohacení.

Tyto nálezy otvírají nové okno do prvních několika set milionů let vesmíru, období, které astronomové nazývají „kozmické temné věky“, kdy první hvězdy vzplanuly a začaly transformovat jednoduchou chemii raného vesmíru na bohatou rozmanitost prvků, které vidíme dnes.

Výzkumníci předpovídají, že JWST najde více galaxií s podobnými přebytky dusíku, jak pokračuje v průzkumu raného vesmíru. Každý nový objev posílí argumenty pro tyto ultra-masivní první hvězdy.

Zdroj: Nandal, D. et al, „1000-10,000 M⊙ Primordiální hvězdy vytvořily dusíkový přebytek v GS 3073 při z = 5.55,“ Astrofyzické časopisecké dopisy, doi: 10.3847/2041-8213/ae1a63

O Centru pro astrofyziku | Harvard & Smithsonian

Centrum pro astrofyziku | Harvard & Smithsonian je spolupráce mezi Harvardem a Smithsonianem zaměřená na to, aby se ptala – a nakonec odpověděla – na největší nevyřešené otázky lidstva o povaze vesmíru. Centrum pro astrofyziku sídlí v Kamebridge, MA, s výzkumnými zařízeními po celých USA a po celém světě.