Ένα νέο σενάριο για το σχηματισμό σφαιρικών σμηνών

Τα σφαιρικά σμήνη είναι πυκνά συσκευασμένα, σφαιρικά συσσωματώματα αμυδρά, πολύ παλιά, μικρών αστεριών. Έφτασαν σε κάποια φήμη τη δεκαετία του ογδόντα επειδή, σύμφωνα με κάποιους απολογισμούς, φαινόταν ότι ήταν μεγαλύτεροι από τον χρόνο που πέρασε από τη Μεγάλη Έκρηξη, η οποία ήταν προφανώς ύποπτη. Στη δεκαετία του '90, οι μετρήσεις απόστασης, τα αστρικά μοντέλα, οι κοσμολογικές μετρήσεις βελτιώθηκαν και λύθηκε το μυστήριο της εποχής των σφαιρικών σμηνών (GCs από τώρα). Είχε τελειώσει τότε το ενδιαφέρον για τα GC; Καθόλου! Αυτά τα αντικείμενα επιφύλασσαν πολλές ακόμη εκπλήξεις στους αστρονόμους.

Για ένα πράγμα, φαίνεται να υπάρχει λίγο περισσότερο σίδηρο από το αναμενόμενο σε αυτά. Ο σίδηρος είναι σχετικά εύκολο να μετρηθεί σε αστέρια και συνήθως θεωρείται ως ένας καλός αντιπρόσωπος της συνολικής περιεκτικότητας σε βαρέα στοιχεία (περιέργως, οι αστρονόμοι αναφέρονται σε όλα τα στοιχεία εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο - συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου και των ευγενών αερίων - ως «μέταλλα») . Το κλάσμα σιδήρου (ή «μεταλλικότητα») κάποιου πολύ παλιού αστεριού στον Γαλαξία μας είναι γελοία χαμηλό (λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό της μεταλλικότητας του ήλιου). Η μεταλλικότητα των GC είναι επίσης χαμηλή, αλλά όχι τόσο γελοία:είναι πάντα τουλάχιστον μερικά χιλιοστά της μεταλλικότητας του ήλιου. Κάτι εμποδίζει τη μεταλλικότητα του GC να πέσει καταθλιπτικά.

Ωστόσο, οι μεγάλες εκπλήξεις εμφανίστηκαν στις αρχές του αιώνα, με την εμφάνιση μιας νέας γενιάς οργάνων, που επέτρεψαν τη λεπτομερή μελέτη μεμονωμένων αστέρων GC. Σχεδιάζοντας μαζί τα χρώματα και τη φωτεινότητα των άστρων σε ένα GC (αυτό είναι το λεγόμενο διάγραμμα Hertzsprung-Russell, ένα θεμελιώδες εργαλείο στην αστρική αστρονομία), οι ερευνητές παρατήρησαν ότι αυτά τα αστέρια κατανεμήθηκαν σε παράλληλες λωρίδες, υποδεικνύοντας ότι ανήκαν σε διαφορετικές οικογένειες. Η εποχή της μελέτης πολλαπλών αστρικών πληθυσμών σε GCs ξεκίνησε. Ακόμη πιο αινιγματική ήταν η ανακάλυψη των λεγόμενων αντισυσχετίσεων μεταξύ βαρέων στοιχείων.

Εάν ένα αστέρι ήταν πλούσιο σε νάτριο, ήταν ταυτόχρονα αναπόφευκτα φτωχό σε οξυγόνο (και το αντίστροφο). Το ίδιο συνέβη και για το μαγνήσιο και το αλουμίνιο. Αυτές οι αντισυσχετίσεις είναι τυπικές των GC και δεν παρατηρούνται σε αστέρια παρόμοιας ηλικίας και μάζας. Μετά από χρόνια ερευνών, οι αστρονόμοι κατέληξαν σε ένα συμπέρασμα:κάποια διαδικασία αυτοεμπλουτισμού βρισκόταν σε εξέλιξη εντός των GC:κάποια αρχέγονη ομάδα άστρων εξελισσόταν και, κατά την εξέλιξή της, γηρασμένα ή ετοιμοθάνατα αστέρια απέβαλλαν αέριο.

Το αέριο που εκτοξεύτηκε ήταν η πρώτη ύλη για το σχηματισμό νέων άστρων. Αυτός ο εμπλουτισμός σημαίνει επομένως ότι η διαδικασία εμπλουτισμού λαμβάνει χώρα εντός του GC και δεν απαιτεί εξωτερικές επιρροές. Η εκτίναξη του τι είδους αστέρια ήταν και εξακολουθεί να συζητείται έντονα. Το πρόβλημα ήταν πολύπλοκο επειδή ορισμένα στοιχεία (ειδικά ο σίδηρος), εκτός από το οξυγόνο ή το μαγνήσιο, έδειξαν αξιοσημείωτη ομοιομορφία μεταξύ διαφορετικών αστεριών σχεδόν σε όλα τα GC. Αυτό το γεγονός απέκλεισε αμέσως μια πιθανή πηγή αυτοεμπλουτισμού:το τελικό στάδιο της εξέλιξης των ογκωδών αστέρων, που χαρακτηρίζεται από μια κολοσσιαία έκρηξη, μια σουπερνόβα (οι σουπερνόβα παράγουν πολύ σίδηρο).

Προτάθηκαν κάποια σενάρια, αλλά έδειχναν να έχουν ένα κοινό πρόβλημα, που ονομάστηκε πρόβλημα μαζικού προϋπολογισμού. Βλέπουμε στα GC σημάδια της πρώτης γενιάς άστρων, των οποίων η εκτόξευση συνέβαλε στο σχηματισμό νεότερων, αυτοεμπλουτισμένων αστρικών πληθυσμών. Αλλά δεν είναι η πλειονότητα των παρατηρηθέντων αστέρων GC. Τα αυτομολυνθέντα αστέρια είναι τουλάχιστον εξίσου πολυάριθμα με τα μη αυτορρυπασμένα. Αυτό ήταν περίεργο, επειδή η αστρική εκτίναξη, σε όλα τα προτεινόμενα μοντέλα, αντιπροσώπευε μόνο ένα μικρό κλάσμα της συνολικής αστρικής μάζας. Για να ολοκληρώσουμε την έρευνά μας για τα παράξενα GC, βλέπουμε σήμερα νεαρά ογκώδη αστρικά σμήνη με μάζες παρόμοιες με τα GC μας, αλλά δεν φαίνεται να μοιράζονται τις ιδιότητές τους. Μια από τις κορυφαίες προσωπικότητες σε αυτόν τον τομέα  (Alvio Renzini) έγραψε έτσι:«οι ειδικές συνθήκες που συναντώνται μόνο στο πρώιμο Σύμπαν φαίνεται να είναι καθοριστικές για την εμφάνιση του φαινομένου πολλαπλών πληθυσμών GC».

Προτεινόμενα τέσσερα στάδια σχηματισμού σφαιρικού σμήνου

Η ομάδα μας στην Πράγα άρχισε να σκέφτεται αυτά τα αινιγματικά γεγονότα και κατέληξε σε ένα πιθανό σενάριο από τέσσερα στάδια. Προσπαθήσαμε να προσδιορίσουμε τις ειδικές συνθήκες στο πρώιμο Σύμπαν στις οποίες υπαινίχθηκε ο Alvio Renzini και συνειδητοποίησε ότι, εκείνη τη στιγμή, ο ουρανός ήταν γεμάτος από πολύ ιδιαίτερα αστέρια, που συνήθως αναφέρονται ως αστέρια του πληθυσμού III (PopIII). Για ένα πράγμα, τα PopIII είναι σχεδόν εντελώς απαλλαγμένα από μέταλλα. Αυτό είναι αναπόφευκτο γιατί το Big Bang συνθέτει μόνο υδρογόνο, ήλιο και ελάχιστη ποσότητα ελαφρών στοιχείων. Όλα τα βαριά στοιχεία συντίθενται αργότερα από αστέρια. Τα μέταλλα παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαδικασία σχηματισμού των άστρων όπως την παρατηρούμε στο παρόν Σύμπαν. Μερικά από τα μέταλλα είναι πολύ αποτελεσματικά στην ψύξη του αερίου από το οποίο σχηματίζονται τα αστέρια. Αυτή η διαδικασία ψύξης διευκολύνει το σχηματισμό αστεριών. Το αέριο από το οποίο σχηματίστηκε το αστέρι PopIII δεν ψύχθηκε εύκολα. Κατά συνέπεια, τουλάχιστον για ένα κλάσμα αυτών των άστρων, έπρεπε να συσσωρευτεί πολύ αέριο πριν ξεκινήσει η διαδικασία σχηματισμού αστεριών. Αυτά τα αστέρια μεγάλωσαν (πολλές δεκάδες, σε ορισμένες περιπτώσεις εκατό φορές τη μάζα του ήλιου) και τελείωσαν τη σύντομη ζωή τους με μια τεράστια έκρηξη. Αυτές οι καταστροφές στον πρώιμο κόσμο αντιπροσωπεύουν το πρώτο στάδιο του προτεινόμενου σεναρίου.

Παρόμοια με τον απόηχο μιας πυρηνικής έκρηξης, ένα γιγάντιο κύμα έκρηξης επεκτάθηκε μακριά από τη ζώνη της καταστροφής, σαρώνοντας όλα όσα συνάντησε. Ένα τεράστιο, σχετικά λεπτό κέλυφος αερίου (πρωτόγονο αέριο και στάχτες της έκρηξης PopIII) συγκεντρώθηκε πίσω από αυτό το ωστικό κύμα. Αποδεικνύεται ότι αυτό το αέριο είναι βαρυτικά ασταθές:μικρές ανωμαλίες στην κατανομή του (αναπόφευκτες, μετά από τέτοιο χάος) μεγάλωσαν έλκοντας βαρυτικά το περιβάλλον υλικό έως ότου το κέλυφος κατακερματίστηκε σε μικρές συστάδες, οι περισσότερες από τις οποίες κατέληξαν να σχηματίσουν αστέρια (δεύτερο στάδιο προτεινόμενο σενάριο). Ο πρώτος αστρικός πληθυσμός στα σημερινά GCs, αν η ιστορία μας είναι σε καλό δρόμο, αποτελείται από αυτά τα αστέρια.

Αυτά τα αστέρια, που σχηματίζονται σε αυτό το διαστελλόμενο κέλυφος αερίου (που ονομάστηκε από εμάς αστέρια με υπερ-κέλυφος, ή εν συντομία SSS) έχουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Σχηματίζονται εν μέρει από τις στάχτες της έκρηξης PopIII και αυτές οι στάχτες, με τη σειρά τους, περιέχουν πολύ σίδηρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα αστέρια των GCs δεν είναι τόσο φτωχά σε σίδηρο όσο άλλα αστέρια με παρόμοια ηλικία. Καθώς περνούσε ο καιρός, τα SSS εξελίχθηκαν και, όπως κάθε άλλο αστέρι, άρχισαν να απελευθερώνουν κάποιο υλικό στο διαστρικό μέσο μέσω των λεγόμενων αστρικών ανέμων (τρίτο στάδιο). Συγκεκριμένα, τεράστια αστέρια μεταξύ των SSS εκτίναξαν άφθονες ποσότητες αερίου, σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα.

Αυτή η εκτόξευση επεκτάθηκε προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Μέρος αυτής της εκτόξευσης διαδόθηκε έτσι προς τα μέσα, προς το κέντρο του κελύφους, όπου έγινε η έκρηξη PopIII. Αυτό είναι το ενδιαφέρον μέρος του προτεινόμενου σεναρίου μας, επειδή αυτή η εκτίναξη δημιούργησε με τη σειρά της ένα πυκνό, σχετικά λεπτό κέλυφος, κάπως παρόμοιο με το κέλυφος που παρήχθη από την έκρηξη PopIII, αλλά διαδίδεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο προσεκτικός αναγνώστης σίγουρα έχει ήδη καταλάβει τι συνέβη στη συνέχεια:αυτό το κέλυφος που διαδίδεται προς τα μέσα είναι επίσης βαρυτικά ασταθές και κατακερματισμένο, σχηματίζοντας νέα αστέρια (τέταρτο και τελευταίο στάδιο). Αυτά είναι τα εξελιγμένα, αυτοεμπλουτισμένα αστέρια που παρατηρούμε στις μέρες μας στα GC. Επιπλέον, τα SSS κληρονόμησαν την ταχύτητα του κελύφους αερίου που οδηγείται από το PopIII, η οποία ήταν σχετικά μεγάλη. Αυτό σημαίνει ότι υποχωρούσαν από την τοποθεσία όπου έγινε η έκρηξη PopIII. Αν και η επέκτασή τους επιβραδύνθηκε από την αμοιβαία βαρυτική τους έλξη, ένα μεγάλο μέρος τους μπορεί να είχε καταλήξει πολύ μακριά από τα άλλα αστέρια του εκκολαπτόμενου GC για να συλληφθεί ξανά.

Εδώ λοιπόν έρχεται η εξήγησή μας για το πρόβλημα μάζας προϋπολογισμού που παρουσιάστηκε προηγουμένως:ο πρώτος πληθυσμός αστεριών σε ένα εκκολαπτόμενο GC είναι μεγάλος. Πολύ μεγαλύτερο από αυτό που βλέπουμε στις μέρες μας. Ένα μεγάλο μέρος αυτών των αστεριών, ωστόσο, χάθηκε. Πριν χαθούν, αυτά τα αστέρια κατάφεραν να διώξουν αέριο μέσω αστρικών ανέμων. Ένα μεγάλο μέρος αυτής της εκτίναξης διαδόθηκε προς τα μέσα, κατακερματίστηκε και δημιούργησε έναν νέο πληθυσμό αστεριών. Επίσης, τα περισσότερα από τα αστέρια που ήταν υπεύθυνα για τον αυτοεμπλουτισμό διέφυγαν από το GC, αφήνοντας ωστόσο πίσω τους μια μεγάλη ποσότητα αερίου που εκτοξεύτηκε μέσω των αστρικών ανέμων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο υπάρχει ίση ποσότητα παρθένων και μολυσμένων αστεριών στα GC.

Τέλος της ιστορίας? Όχι πραγματικά:αφήσαμε ένα κέλυφος αερίου, κυρίως φτιαγμένο από εκτοξεύσεις SSS, που διαδίδεται προς τα μέσα και σχηματίζει νέα, μολυσμένα αστέρια. Τι συμβαίνει όταν αυτά τα αστέρια εξελίσσονται; Θα μπορούσε η εκτίναξή τους να σχηματίσει ένα νέο κέλυφος, το οποίο θα κατακερματίσει και θα σχηματίσει έναν περαιτέρω πληθυσμό αστεριών; Κατ' αρχήν, ναι, ο κύκλος μπορεί να ξεκινήσει ξανά και μπορούμε να παρακολουθήσουμε το σχηματισμό περισσότερων από δύο αστρικών πληθυσμών σε ένα νεαρό GC. Πράγματι, το διάγραμμα Hertzsprung-Russell ορισμένων GCs υποδεικνύει την παρουσία περισσότερων από δύο πληθυσμών (σε μία περίπτωση, ίσως, έως και επτά!)

Η πρόσφατη δημοσιευθείσα εργασία μας καταδεικνύει ότι τα GCs σχηματίστηκαν πραγματικά όπως προτείνουμε; Όχι πραγματικά? Αυτό που δείξαμε στην πρόσφατη δημοσίευσή μας είναι μόνο η διάταξη του σεναρίου μας και μερικές απλοποιημένες προσομοιώσεις που δείχνουν ότι αυτός ο μηχανισμός θα μπορούσε πραγματικά να λειτουργήσει. Στο χαρτί δεν κρύψαμε δυσκολίες και ανοιχτά ερωτήματα. Για παράδειγμα, αυτή τη στιγμή δεν μπορούμε να αναπαράγουμε τα πολύ «βαρέα» GC που βλέπουμε στον ουρανό, αλλά μόνο τα μικρά/μεσαία. Πιστεύουμε ότι τα ανοιχτά ερωτήματα και τα άλυτα προβλήματα είναι τα άλατα της επιστήμης, καθώς μπορούν να εμπνεύσουν άλλους ερευνητές να κάνουν ένα βήμα μπροστά και να βελτιώσουν τον προτεινόμενο μηχανισμό ή να τον απορρίψουν κατηγορηματικά, κάτι που θα ήταν ούτως ή άλλως μια πρόοδος για την επιστήμη (θα περιόριζε την εύρος δυνατοτήτων).

Προς το παρόν, ελπίζουμε να έχουμε πείσει τον αναγνώστη ότι τα GC είναι πολύπλοκα αντικείμενα, με μια πολύ ενδιαφέρουσα ιστορία να πούμε και σίγουρα επιφυλάσσουμε πολλές εκπλήξεις.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Globular Cluster Formation in a collapsing supershell, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Astrophysics and Space Science. Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν η Simone Recchi από το Αστρονομικό Ινστιτούτο της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών.