Astronomer siger, at de har set universets første stjerner

En gruppe astronomer, der ser på data fra James Webb Space Telescope (JWST) har skimtet lys fra en sjælden isotop af helium i en fjern galakse, hvilket kunne indikere tilstedeværelsen af ​​universets allerførste generation af stjerner.

Disse længe søgte, upassende navngivne "Population III"-stjerner ville have været enorme kugler af brint og helium skulptureret fra universets urgas. Teoretikere begyndte at forestille sig disse første ildkugler i 1970'erne, idet de antog, at de efter korte levetider eksploderede som supernovaer, smedede tungere grundstoffer og spyede dem ud i kosmos. Det stjernestof gav senere anledning til Population II-stjerner, der var mere rigelige i tunge grundstoffer, derefter endnu rigere Population I-stjerner som vores sol, såvel som planeter, asteroider, kometer og til sidst selve livet.

"Vi eksisterer, derfor ved vi, at der må have været en første generation af stjerner," sagde Rebecca Bowler, en astronom ved University of Manchester i Det Forenede Kongerige.

Nu tror Xin Wang, en astronom ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, og hans kolleger, at de har fundet dem. "Det er virkelig surrealistisk," sagde Wang. Bekræftelse er stadig nødvendig; holdets papir, lagt på preprint-serveren arxiv.org den 8. december afventer peer review kl Natur.

Selvom forskerne tager fejl, er en mere overbevisende påvisning af de første stjerner måske ikke langt væk. JWST, hvilket er transformerer store dele af astronomi, menes at være i stand til at kigge langt nok væk i rum og tid til at se dem. Allerede nu har det gigantiske flydende teleskop opdaget fjerne galakser, hvis usædvanlige lysstyrke antyder, at de kan indeholde Population III-stjerner. Og andre forskergrupper, der kappes om at opdage stjernerne med JWST, analyserer deres egne data nu. "Dette er absolut et af de hotteste spørgsmål," sagde Mike Norman, en fysiker ved University of California, San Diego, der studerer stjernerne i computersimuleringer.

En endelig opdagelse ville gøre det muligt for astronomer at begynde at undersøge stjernernes størrelse og udseende, hvornår de eksisterede, og hvordan de pludselig lyste op i det oprindelige mørke.

"Det er virkelig en af ​​de mest fundamentale ændringer i universets historie," sagde Bowler.

Befolkning III

Omkring 400,000 år efter Big Bang lagde elektroner, protoner og neutroner sig ned nok til at kombineres til brint- og heliumatomer. Da temperaturen blev ved med at falde, klumpede mørkt stof sig gradvist sammen og trak atomerne med sig. Inde i klumperne blev brint og helium klemt af tyngdekraften og kondenserede til enorme kugler af gas, indtil, når kuglerne var tætte nok, pludselig antændtes kernefusion i deres centre. De første stjerner blev født.

Den tyske astronom Walter Baade kategoriseret stjernerne i vores galakse ind i type I og II i 1944. Førstnævnte omfatter vores sol og andre metalrige stjerner; sidstnævnte indeholder ældre stjerner lavet af lettere grundstoffer. Ideen om Population III-stjerner kom ind i litteraturen årtier senere. I et papir fra 1984, der hævede deres profil, sagde den britiske astrofysiker Bernard Carr beskrev den vitale rolle denne originale race af stjerne kan have spillet i det tidlige univers. "Deres varme eller eksplosioner kunne have reioniseret universet," skrev Carr og hans kolleger, "... og deres tunge grundstofudbytte kunne have produceret et udbrud af prægalaktisk berigelse," hvilket gav anledning til senere stjerner rigere på tungere elementer.

Carr og hans medforfattere vurderede, at stjernerne kunne have vokset til enorme størrelser og målte et sted mellem et par hundrede og 100,000 gange mere massiv end vores sol på grund af den store mængde brint og heliumgas, der var tilgængelig i det tidlige univers.

Dem i den tungere ende af området, såkaldte supermassive stjerner, ville have været relativt kølige, røde og oppustede, med størrelser, der kunne omfatte næsten hele vores solsystem. Tættere, mere beskeden størrelse varianter af Population III-stjerner ville have skinnet blåvarme med overfladetemperaturer på omkring 50,000 grader Celsius sammenlignet med kun 5,500 grader for vores sol.

I 2001 forklarede computersimuleringer ledet af Norman hvordan så store stjerner kunne dannes. I det nuværende univers fragmenteres gasskyer til masser af små stjerner. Men simuleringerne viste, at gasskyer i det tidlige univers, der var meget varmere end moderne skyer, ikke så let kunne kondensere og derfor var mindre effektive til stjernedannelse. I stedet ville hele skyer kollapse til en enkelt, kæmpe stjerne.

Deres enorme proportioner betød, at stjernerne var kortlivede og varede højst et par millioner år. (Mere massive stjerner brænder hurtigere igennem deres tilgængelige brændstof.) Som sådan ville Population III-stjerner ikke have varet længe i universets historie - måske et par hundrede millioner år, da de sidste lommer af urgas forsvandt.

Der er mange usikkerheder. Hvor massive blev disse stjerner egentlig? Hvor sent inde i universet eksisterede de? Og hvor mange var de i det tidlige univers? "De er helt anderledes stjerner end stjernerne i vores egen galakse," sagde Bowler. "De er bare så interessante genstande."

Fordi de er så langt væk og eksisterede så kort, har det været en udfordring at finde beviser for dem. Men i 1999 forudsagde astronomer ved University of Colorado, Boulder, at stjernerne skulle producere en afslørende signatur: en specifik frekvens af lys fra helium-2. Denne ustabile form for helium indeholder kun to protoner i sin kerne, mens almindelig helium også har to neutroner. "Helium-emissionen stammer faktisk ikke fra stjernerne selv," forklarede James Trussler, en astronom ved University of Manchester; det blev snarere skabt, da energiske fotoner fra stjernernes varme overflader pløjede til gas omkring stjernen.

"Det er en relativt simpel forudsigelse," sagde Daniel Schaerer fra universitetet i Genève, som udvidet på ideen i 2002. Jagten var i gang. 

At finde de første stjerner

I 2015 troede Schaerer og hans kolleger, at de måske havde fundet noget. De opdagede et muligt hint af en helium-2-signatur i en fjern, primitiv galakse, der kunne have været forbundet med en gruppe af Population III-stjerner. Set som den så ud 800 millioner år efter Big Bang, så galaksen ud, som om den kunne indeholde det første bevis på de første stjerner i universet.

Senere arbejde ledet af Bowler anfægtede resultaterne. "Vi fandt beviser for iltudledning fra kilden. Det udelukkede et rent Population III-scenarie,” sagde hun. En selvstændig gruppe altså kunne ikke detektere helium-2-linjen set af det indledende hold. "Det var der ikke," sagde Bowler.

Kunne andre klare sig bedre?

Astronomer satte deres håb til JWST, som blev opsendt i december 2021. Teleskopet kan med sit enorme spejl og hidtil usete følsomhed over for infrarødt lys lettere kigge ind i det tidlige univers end noget teleskop før det. (Fordi lys tager tid at rejse hertil, ser teleskopet svage, fjerne objekter, som de så ud for længe siden.) Teleskopet kan også udføre spektroskopi og opdele lyset i dets komponentbølgelængder, hvilket gør det muligt for det at lede efter helium-2 kendetegnene for Population III stjerner.

Wangs team analyserede spektroskopidata for mere end 2,000 af JWSTs mål. Den ene er en fjern galakse set, som den så ud kun 620 millioner år efter Big Bang. Ifølge forskerne er galaksen delt i to stykker. Deres analyse viste, at den ene halvdel ser ud til at have nøglesignaturen for helium-2 blandet med lys fra andre grundstoffer, hvilket potentielt peger på en hybridpopulation på tusindvis af Population III og andre stjerner. Spektroskopi af anden halvdel af galaksen er endnu ikke udført, men dens lysstyrke antyder et mere Population III-rigt miljø.

"Vi forsøger at ansøge om observationstid for JWST i den næste cyklus for at dække hele galaksen," sagde Wang, for at "få et skud af bekræftelse af sådanne objekter."

Galaksen er en "hovedskraber", ifølge Norman. Hvis helium-2-resultaterne holder til granskning, sagde han, "en mulighed er en klynge af Population III-stjerner." Han er dog usikker på, om Population III-stjerner og senere stjerner kan blandes så let.

Daniel Whalen, en astrofysiker ved University of Portsmouth, var ligeledes forsigtig. "Det kunne bestemt være bevis på en blanding af Population III og Population II stjerner i en galakse," sagde han. Men selvom dette ville være "det første direkte bevis" for universets første stjerner, sagde Whalen, "det er ikke rent bevis." Andre rørende varme kosmiske objekter kan producere en lignende signatur af helium-2, herunder brændende skiver af materiale, der hvirvler rundt om sorte huller.

Wang mener, at hans hold kan udelukke et sort hul som kilden, fordi de ikke opdagede specifikke ilt-, nitrogen- eller ioniseret kulstofsignaturer, som man ville forvente i det tilfælde. Men arbejdet afventer stadig peer review, og selv da skal opfølgende observationer bekræfte dets potentielle resultater.

Hot on the Trail

Andre grupper, der bruger JWST, er også på jagt efter de første stjerner.

Udover at lede efter helium-2 er en anden søgemetode, foreslået af astronomen Rogier Windhorst fra Arizona State University og kolleger i 2018, at bruge tyngdekraften af gigantiske hobe af galakser for at se individuelle stjerner i det tidlige univers. At bruge et massivt objekt som en klynge til at fordreje lys og forstørre fjernere objekter (en teknik kendt som gravitationslinser) er en almindelig måde, hvorpå astronomer får udsigt til fjerne galakser. Windhorst mente, at selv individuelle Population III-stjerner, der nærmer sig kanten af ​​en tung hob, "i princippet kunne gennemgå næsten uendelig forstørrelse" og dukke op, sagde han.

Windhorst leder et JWST-program, dvs forsøger teknikken. "Jeg er ret overbevist om, at vi om et år eller to vil have set nogle," sagde han. "Vi har allerede nogle kandidater." Tilsvarende er Eros Vanzella, en astronom ved National Institute for Astrophysics i Italien, lede et program det er at studere en klump af 10 eller 20 kandidatpopulation III-stjerner ved hjælp af gravitationslinser. "Vi leger bare med data nu," sagde han.

Og der er stadig den fristende mulighed for, at nogle af de uventet lyse galakser allerede set af JWST i det tidlige univers kunne skyldes deres lysstyrke til massive Population III-stjerner. "Det er præcis de epoker, hvor vi forventer, at de første stjerner dannes," sagde Vanzella. "Jeg håber ... at de første stjerner vil blive opdaget i løbet af de næste uger eller måneder."