يقول علماء الفلك إنهم اكتشفوا النجوم الأولى للكون

قامت مجموعة من علماء الفلك بالتأمل في البيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) بإلقاء الضوء من نظير نادر للهيليوم في مجرة ​​بعيدة ، مما قد يشير إلى وجود الجيل الأول من النجوم في الكون.

هذه النجوم التي طال انتظارها ، والتي سميت على نحو غير ملائم "التجمعات الثالثة" كانت ستشكل كرات عملاقة من الهيدروجين والهيليوم منحوتة من الغاز البدائي للكون. بدأ المنظرون في تخيل هذه الكرات النارية الأولى في سبعينيات القرن الماضي ، وافترضوا أنها ، بعد عمر قصير ، انفجرت على شكل مستعرات أعظم ، مكونة عناصر أثقل وقذفها في الكون. أدت هذه الأشياء النجمية في وقت لاحق إلى ظهور نجوم السكان 1970 الأكثر وفرة في العناصر الثقيلة ، ثم النجوم الأكثر ثراءً مثل النجوم مثل شمسنا ، وكذلك الكواكب والكويكبات والمذنبات وفي النهاية الحياة نفسها.

قال "نحن موجودون ، لذلك نعلم أنه لا بد أنه كان هناك جيل أول من النجوم" ريبيكا بولر، عالم فلك في جامعة مانشستر في المملكة المتحدة.

الآن ، يعتقد شين وانغ ، عالم الفلك في الأكاديمية الصينية للعلوم في بكين ، وزملاؤه أنهم عثروا عليها. قال وانغ: "إنه أمر خيالي حقًا". لا تزال هناك حاجة إلى التأكيد ؛ ورقة الفريق ، تم النشر على خادم ما قبل الطباعة arxiv.org في 8 كانون الأول (ديسمبر) ، في انتظار مراجعة الأقران في الطبيعة.

حتى لو كان الباحثون مخطئين ، فإن الاكتشاف الأكثر إقناعًا للنجوم الأولى قد لا يكون بعيد المنال. JWST ، وهو تحويل مساحات شاسعة من علم الفلك، يُعتقد أنها قادرة على النظر بعيدًا بما يكفي في المكان والزمان لرؤيتها. بالفعل ، اكتشف التلسكوب العائم العملاق مجرات بعيدة غير عادية سطوع يقترح أنها قد تحتوي على نجوم من المجتمع الثالث. وتقوم مجموعات بحثية أخرى تتنافس لاكتشاف النجوم باستخدام JWST بتحليل بياناتها الخاصة الآن. قال "هذا بالتأكيد أحد أكثر الأسئلة إثارة" مايك نورمان، عالم فيزياء في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو يدرس النجوم في محاكاة الكمبيوتر.

سيسمح الاكتشاف النهائي لعلماء الفلك بالبدء في التحقيق في حجم النجوم ومظهرها ، ومتى وُجدت ، وكيف أضاءت فجأة في الظلام البدائي.

قال بولر: "إنه حقًا أحد أهم التغييرات الأساسية في تاريخ الكون".

السكان الثالث

بعد حوالي 400,000 عام من الانفجار العظيم ، استقرت الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات بما يكفي لتتحد في ذرات الهيدروجين والهيليوم. مع استمرار انخفاض درجة الحرارة ، تتكتل المادة المظلمة تدريجياً ، وتسحب الذرات معها. داخل التكتلات ، تم سحق الهيدروجين والهيليوم عن طريق الجاذبية ، وتكثفوا في كرات ضخمة من الغاز حتى ، بمجرد أن أصبحت الكرات كثيفة بدرجة كافية ، اشتعل الاندماج النووي فجأة في مراكزها. ولدت النجوم الأولى.

عالم الفلك الألماني والتر بادي مصنف النجوم في مجرتنا إلى النوعين الأول والثاني في عام 1944. يشمل الأول شمسنا ونجوم أخرى غنية بالمعادن ؛ يحتوي الأخير على نجوم أقدم مصنوعة من عناصر أخف. دخلت فكرة نجوم السكان الثالث الأدب بعد عقود. في ورقة بحثية صدرت عام 1984 رفعت مكانتها ، عالم الفيزياء الفلكية البريطاني برنارد كار وصف الدور الحيوي قد يكون هذا الصنف الأصلي من النجوم قد لعب في الكون المبكر. كتب كار وزملاؤه: "كان من الممكن أن تكون حرارتهم أو انفجاراتهم قد أعادت تأين الكون ، ... وكان من الممكن أن ينتج عن إنتاجهم من العناصر الثقيلة اندفاعة من الإثراء قبل التجسس ،" مما أدى إلى ظهور نجوم لاحقة أكثر ثراءً في العناصر الثقيلة.

قدّر كار وزملاؤه أن النجوم يمكن أن تكون قد نمت إلى أحجام هائلة ، حيث يبلغ حجمها ما بين بضع مئات إلى 100,000 مرة أكبر من شمسنا ، بسبب الحجم الكبير للهيدروجين وغاز الهيليوم المتوفر في الكون المبكر.

تلك الموجودة في الطرف الأثقل من النطاق ، والتي تُسمى بالنجوم فائقة الكتلة ، ستكون باردة نسبيًا ، حمراء ومنتفخة ، بأحجام يمكن أن تشمل نظامنا الشمسي بأكمله تقريبًا. ستتألق المتغيرات الأكثر كثافة والأكثر تواضعا من نجوم المجموعة الثالثة باللون الأزرق الحار ، مع درجات حرارة سطح تبلغ حوالي 50,000 درجة مئوية ، مقارنة بـ 5,500 درجة فقط لشمسنا.

في عام 2001 ، أوضح نورمان المحاكاة الحاسوبية كيف يمكن أن تتشكل هذه النجوم الكبيرة. في الكون الحالي ، تتفتت سحب الغاز إلى الكثير من النجوم الصغيرة. لكن عمليات المحاكاة أظهرت أن السحب الغازية في الكون المبكر ، كونها أكثر سخونة من السحب الحديثة ، لا يمكن أن تتكثف بسهولة وبالتالي كانت أقل كفاءة في تكوين النجوم. بدلاً من ذلك ، ستنهار الغيوم بأكملها لتصبح نجمًا واحدًا عملاقًا.

كانت أبعادها الهائلة تعني أن النجوم كانت قصيرة العمر ، ودامت بضعة ملايين من السنين على الأكثر. (تحترق النجوم الأكثر ضخامة من خلال وقودها المتاح بسرعة أكبر.) وعلى هذا النحو ، فإن نجوم المجموعة الثالثة لم تكن لتستمر طويلًا في تاريخ الكون - ربما بضع مئات الملايين من السنين حيث تبددت الجيوب الأخيرة من الغاز البدائي.

هناك الكثير من الشكوك. إلى أي مدى أصبحت هذه النجوم ضخمة حقًا؟ إلى أي وقت متأخر من وجود الكون؟ وما مدى وفرتها في بداية الكون؟ قال بولر: "إنها نجوم مختلفة تمامًا عن النجوم في مجرتنا". "إنها مجرد أشياء مثيرة للاهتمام."

نظرًا لأنهم بعيدون جدًا وموجودون لفترة وجيزة ، فقد كان العثور على دليل لهم يمثل تحديًا. ومع ذلك ، في عام 1999 ، توقع علماء الفلك في جامعة كولورادو ، بولدر أن النجوم يجب أن تفعل ذلك إنتاج توقيع منبهة: تردد محدد للضوء من الهيليوم -2. يحتوي هذا الشكل غير المستقر من الهيليوم على بروتونين فقط في نواته ، بينما يحتوي الهليوم العادي أيضًا على نيوترونين. أوضح جيمس تروسلر ، عالم الفلك في جامعة مانشستر ، أن "انبعاث الهيليوم لا ينشأ في الواقع من داخل النجوم نفسها". بدلا من ذلك ، تم إنشاؤه عندما انطلقت فوتونات نشطة من الأسطح الساخنة للنجوم في الغاز المحيط بالنجم.

قال دانيال شيرير من جامعة جنيف ، "إنه توقع بسيط نسبيًا" توسع في الفكرة في عام 2002. كان الصيد مستمرًا. 

البحث عن النجوم الأولى

في عام 2015 ، اعتقد شيرير وزملاؤه أنهم ربما وجدوا شيئًا ما. هم اكتشف تلميحًا محتملاً لتوقيع الهليوم -2 في مجرة ​​بدائية بعيدة قد تكون مرتبطة بمجموعة من نجوم المجتمع الثالث. نظرًا لظهورها بعد 800 مليون سنة من الانفجار العظيم ، بدت المجرة وكأنها قد تحتوي على أول دليل على النجوم الأولى في الكون.

عمل في وقت لاحق بقيادة بولر عارضت النتائج. وجدنا أدلة على انبعاث الأكسجين من المصدر. هذا يستبعد سيناريو السكان الثالث الخالص ، "قالت. ثم مجموعة مستقلة فشل في الكشف عن خط الهليوم -2 شاهده الفريق الأولي. قال بولر: "لم يكن هناك".

هل يمكن للآخرين أن يكون أفضل حالاً؟

علماء الفلك علقوا آمالهم على JWST، الذي تم إطلاقه في ديسمبر 2021. يمكن للتلسكوب ، بمرآته الهائلة وحساسيته غير المسبوقة للأشعة تحت الحمراء ، أن يتنقل بسهولة إلى الكون المبكر أكثر من أي تلسكوب قبله. (نظرًا لأن الضوء يستغرق وقتًا للسفر هنا ، يرى التلسكوب أجسامًا خافتة بعيدة كما ظهرت منذ فترة طويلة.) يمكن للتلسكوب أيضًا إجراء التحليل الطيفي ، مما يسمح له بالبحث عن السمة المميزة للهيليوم -2 نجوم السكان الثالث.

حلل فريق وانج بيانات التحليل الطيفي لأكثر من 2,000 هدف من أهداف JWST. إحداها مجرة ​​بعيدة شوهدت بعد 620 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. وفقًا للباحثين ، تنقسم المجرة إلى جزأين. أظهر تحليلهم أن نصفًا يبدو أنه يحتوي على التوقيع الرئيسي للهيليوم -2 الممزوج بضوء من عناصر أخرى ، مما قد يشير إلى مجموعة هجينة من آلاف السكان الثالث ونجوم أخرى. لم يتم بعد إجراء التحليل الطيفي للنصف الثاني من المجرة ، لكن سطوعها يشير إلى بيئة أكثر ثراءً بالسكان.

قال وانغ: "نحاول التقدم بطلب لمراقبة الوقت لـ JWST في الدورة التالية لتغطية المجرة بأكملها" ، من أجل "الحصول على لقطة لتأكيد مثل هذه الأشياء".

المجرة "خدش الرأس" ، حسب نورمان. وقال إنه إذا كانت نتائج الهليوم -2 تصمد أمام التدقيق ، "أحد الاحتمالات هو وجود مجموعة من نجوم المجتمع الثالث." ومع ذلك ، فهو غير متأكد مما إذا كان بإمكان نجوم السكان الثالث والنجوم اللاحقة أن تختلط معًا بسهولة.

دانيال والين، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة بورتسموث ، كان حذرًا بالمثل. وقال: "يمكن أن يكون بالتأكيد دليلًا على وجود مزيج من نجوم السكان 2 والسكان XNUMX في مجرة ​​واحدة". ومع ذلك ، على الرغم من أن هذا سيكون "أول دليل مباشر" على النجوم الأولى للكون ، إلا أن والين قال ، "إنه ليس دليلًا نظيفًا." يمكن للأجسام الكونية الساخنة الأخرى أن تنتج إشارة مماثلة للهليوم -XNUMX ، بما في ذلك الأقراص الحارقة من المواد التي تدور حول الثقوب السوداء.

يعتقد وانج أن فريقه يمكنه استبعاد وجود ثقب أسود كمصدر لأنهم لم يكتشفوا إشارات معينة من الأكسجين أو النيتروجين أو الكربون المتأين التي يمكن توقعها في هذه الحالة. ومع ذلك ، لا يزال العمل ينتظر مراجعة الأقران ، وحتى ذلك الحين ، ستحتاج ملاحظات المتابعة لتأكيد النتائج المحتملة.

هوت أون ذا تريل

المجموعات الأخرى التي تستخدم JWST تبحث أيضًا عن النجوم الأولى.

إلى جانب البحث عن الهيليوم -2 ، هناك طريقة بحث أخرى ، اقترحها عالم الفلك روجير ويندهورست من جامعة ولاية أريزونا وزملاؤه في عام 2018 ، وهي: استخدم الجاذبية من مجموعات المجرات العملاقة لرؤية النجوم الفردية في الكون المبكر. يعد استخدام جسم ضخم مثل العنقود لالتواء الضوء وتضخيم الأجسام البعيدة (تقنية تُعرف باسم عدسة الجاذبية) طريقة شائعة للحصول على مناظر للمجرات البعيدة. واعتقد ويندهورست أنه حتى نجوم السكان III الفردية التي تقترب من حافة كتلة ثقيلة "يمكن من حيث المبدأ أن تخضع لتكبير لانهائي تقريبًا" وتبرز للعيان ، على حد قوله.

يقود Windhorst برنامج JWST وهو محاولة هذه التقنية. وقال: "أنا واثق تمامًا من أننا سنرى بعضًا خلال عام أو عامين". "لدينا بالفعل بعض المرشحين." وبالمثل ، فإن إيروس فانزيلا ، عالم الفلك في المعهد الوطني للفيزياء الفلكية في إيطاليا ، هو يقود البرنامج تقوم بدراسة مجموعة من 10 أو 20 من النجوم السكانية الثالثة المرشحة باستخدام عدسة الجاذبية. قال: "نحن فقط نلعب بالبيانات الآن".

ولا يزال هناك احتمال محير أن بعض المجرات الساطعة بشكل غير متوقع التي رأيناها بالفعل JWST في الكون المبكر يمكن أن تدين بسطوعها إلى النجوم الضخمة من سكان III. قال فانزيلا: "هذه هي الحقبات التي نتوقع أن تتشكل فيها النجوم الأولى". "آمل ... أن يتم اكتشاف النجوم الأولى في الأسابيع أو الأشهر المقبلة."