Inilah yang dapat saya ceritakan kepada saya tentang bintang-bintang pertama di alam semesta

Galaksi kerdil biru yang hanya berjarak 59 juta tahun cahaya dapat menampung sepupu dari bintang Population III yang misterius.

Bintang-bintang pertama di alam semesta tidak seperti yang dapat kita lihat hari ini. Dikenal oleh para astronom sebagai bintang Population III, mereka besar, masif, dan hampir seluruhnya terdiri dari hidrogen dan helium. Populasi bintang III adalah penting karena mereka memperkaya medium antarbintang dengan logam - semua elemen lebih berat dari hidrogen dan helium - dan berpartisipasi dalam reionisasi, peristiwa beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang yang membuat alam semesta lebih transparan.

Menemukan bintang Population III dapat mengkonfirmasi bagian penting dari teori kosmologi dan evolusi bintang kita. Namun, mereka semua harus pergi dari Bima Sakti sekarang, setelah meledak sebagai supernova dulu. Kita dapat melihat ke alam semesta yang jauh untuk mencari mereka di pergeseran merah yang tinggi - dan memang, James Webb Space Telescope akan melakukan hal itu - tetapi mendeteksi bintang-bintang individu pada jarak itu di luar kemampuan kita saat ini. Sejauh ini, teleskop tidak menghasilkan apa-apa.

Gambar Hubble Space Telescope dari I Zwicky 18 menunjukkan gas yang diterangi oleh bintang-bintang biru muda. Kredit gambar: NASA / ESA / A. Aloisi.

Pengamatan terbaru terhadap galaksi kerdil di dekatnya bernama I Zwicky 18, telah memberi kita harapan. Hanya 59 juta tahun cahaya jauhnya, galaksi itu tampaknya mengandung awan hidrogen yang hampir bebas logam. Terlebih lagi, ia mengalami ledakan formasi bintang yang mungkin menghasilkan bintang yang sangat mirip dengan bintang Population III. Jika kita bisa belajar lebih banyak tentang galaksi ini, itu bisa memberi kita petunjuk tentang seperti apa bintang dan galaksi paling awal di alam semesta.

Apakah gelombang pembentukan bintang saat ini adalah yang pertama?

Pengamatan HI awal I Zwicky 18 menggunakan interferometer radio di Westerbork, Belanda. Kredit gambar: Pengguna Wikipedia Onderwijsgek, di bawah lisensi Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Belanda.

Salah satu studi pertama yang menarik perhatian pada kemungkinan bahwa I Zwicky 18 membentuk bintang Populasi III-analog oleh Lequex & Viallefond 1980. Mereka melengkapi pengamatan optik yang ada di daerah HII - awan gas terionisasi yang menjadi tuan rumah bintang muda, panas, besar-besaran - dengan studi wilayah HI melalui garis emisi 21 cm, alat utama untuk memetakan hidrogen netral. Mereka berusaha mencari tahu apakah putaran pembentukan bintang masif saat ini di galaksi kerdil adalah yang pertama, atau jika telah didahului oleh peristiwa lain, mencemari awan hidrogen dengan logam.

Pengamatan radio mereka dengan Teleskop Radio Sintesis Westerbork menemukan massa HI total sekitar 70 juta massa matahari di enam wilayah terpisah, tiga di antaranya tetap belum terselesaikan. Mereka tidak dapat menghubungkan komponen individu ke peta wilayah HII, tetapi pengukuran kecepatan radial awan menemukan bahwa massa total galaksi jauh lebih besar sekitar faktor sepuluh, menunjukkan bahwa ada beberapa jenis massa lain yang hadir.

Ada dua kemungkinan: massa yang tak terlihat adalah hidrogen molekuler - yang tidak akan memancarkan radiasi 21 cm - atau ada populasi redup bintang yang lebih tua. Hipotesis hidrogen molekuler tidak dapat dikesampingkan, tetapi gagasan tentang sekelompok bintang yang belum terlihat itu menarik. Untuk satu hal, awan HI tampak sangat mirip dengan awan purba yang diperlukan untuk pembentukan galaksi. Jika wilayah HI ini benar-benar primordial, maka bintang redup ini dapat mendukung mereka melawan keruntuhan gravitasi selama miliaran tahun.

Gambar 5, Lequex & Viallefond 1980. Peta wilayah HI di galaksi menunjukkan bahwa tiga (berlabel 1, 2 dan 5) cukup besar untuk diselesaikan, sedangkan yang lainnya adalah sumber titik. Wilayah 1, 4 dan 5 adalah yang paling masif.

Sebuah gambar mulai muncul. Perbandingan emisi kontinum Lyman dengan emisi ultra-ultra-jauh mengindikasikan bahwa ledakan pembentukan bintang pasti telah dimulai sekitar beberapa juta tahun yang lalu, kemungkinan disebabkan oleh tabrakan beberapa awan hidrogen. Sebelum ini, akan ada pembentukan bintang merah redup dalam skala yang lebih kecil, tetapi tidak cukup untuk memperkaya galaksi lebih dari jumlah oksigen yang diamati dengan rendah. Oleh karena itu, pembentukan bintang-bintang di I Zwicky 18 seharusnya sangat dekat dengan populasi Population III.

Bintang seperti apa yang sedang kita hadapi?

Gambar 1, Kehrig et al. 2015. Gambar komposit (hidrogen alpha + UV + r'-band) dari simpul bercahaya di galaksi kerdil yang menunjukkan emisi helium yang intens.

Gagasan itu muncul selama beberapa dekade berikutnya, dan para astronom tertarik untuk menentukan sifat bintang-bintang muda ini. Satu kelompok (Kehrig et al. 2015) secara khusus tertarik untuk menentukan jenis bintang masif apa yang dapat menjelaskan garis He II λ4686 terbaik, indikator radiasi keras dan bahan pengionisasi bintang panas di daerah pembentuk bintang HII. Ada beberapa kemungkinan penyebab:

  • Bintang-bintang tipe Wolf-Rayet awal, yang dianggap bertanggung jawab atas sebagian besar emisi He II λ4686 dalam galaksi pembentuk bintang.
  • Guncangan dan binari x-ray, yang juga telah ditemukan di daerah HII ekstragalaktik.
  • Bintang O yang sangat miskin logam, atau - melangkah lebih jauh - sepenuhnya bintang O yang bebas logam, mirip dengan bintang Population III.

Kelompok itu mengesampingkan bintang-bintang Wolf-Rayet dengan cepat. Tanda tangan kunci dari karbon-logam yang buruk, bintang Wolf-Rayet jelas terlihat dalam spektra, tetapi jumlah yang disimpulkan berdasarkan garis C IV λ1550 terlalu kecil untuk memperhitungkan semua emisi helium. Demikian pula, kemungkinan biner x-ray dibuang karena biner x-ray tunggal yang ditemukan terlalu redup oleh faktor 100.

Gambar 2, Kehrig et al. 2015. Wilayah dengan emisi Hα dan He II λ4686 tinggi menunjukkan sedikit tumpang tindih dengan emisi [OI] λ6300 dan kontras rendah [S II], mengesampingkan kemungkinan guncangan sinar-x.

Namun, sekelompok mungkin sekitar selusin bintang bebas-logam dari seratus massa matahari atau lebih dapat berhasil mereproduksi garis He II λ4686 yang diamati. Ada kantong-kantong gas di dekat sebuah simpul di tepi barat laut galaksi yang tidak memiliki logam dan akan menyediakan lingkungan yang cocok untuk terbentuknya bintang-bintang ini, walaupun ada juga bintang-bintang yang diperkaya secara kimia di sana. Model-model tertentu dari massa yang sangat tinggi (~ 300 massa matahari) menawarkan alternatif bagi bintang-bintang bebas-logam ini, tetapi mengingat pengamatan sebelumnya, model-model bebas-logam tetap menarik.

Untuk saat ini, teleskop kami tidak dapat mendeteksi bintang Population III. Sampai mereka melakukannya, kita masih dapat belajar banyak tentang alam semesta awal dengan mempelajari galaksi kerdil biru kompak seperti I Zwicky 18. Analog rendah-pergeseran, bebas logam dari bintang-bintang pertama di alam semesta ini cukup dekat untuk kita pelajari hari ini. Galaksi paling miskin logam di alam semesta adalah tempat yang baik untuk memulai.