Οι αστρονόμοι λένε ότι εντόπισαν τα πρώτα αστέρια του Σύμπαντος

Μια ομάδα αστρονόμων που εξετάζουν δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) έχουν δει φως από ένα σπάνιο ισότοπο ηλίου σε έναν μακρινό γαλαξία, το οποίο θα μπορούσε να υποδεικνύει την παρουσία της πρώτης γενιάς αστεριών του σύμπαντος.

Αυτά τα πολυπόθητα αστέρια που ονομάστηκαν ακατάλληλα «Πληθυσμός ΙΙΙ» θα ήταν τεράστιες μπάλες υδρογόνου και ηλίου που σμιλεύτηκαν από το αρχέγονο αέριο του σύμπαντος. Οι θεωρητικοί άρχισαν να φαντάζονται αυτές τις πρώτες βολίδες στη δεκαετία του 1970, υποθέτοντας ότι, μετά από σύντομες ζωές, εξερράγησαν ως σουπερνόβα, σφυρηλατώντας βαρύτερα στοιχεία και εκτοξεύοντάς τα στο σύμπαν. Αυτό το αστρικό υλικό οδήγησε αργότερα σε αστέρια του Πληθυσμού ΙΙ πιο άφθονα σε βαριά στοιχεία, στη συνέχεια ακόμη πλουσιότερα αστέρια του Πληθυσμού Ι όπως ο ήλιος μας, καθώς και πλανήτες, αστεροειδείς, κομήτες και τελικά η ίδια η ζωή.

«Υπάρχουμε, επομένως γνωρίζουμε ότι πρέπει να υπήρχε μια πρώτη γενιά αστεριών», είπε Ρεμπέκα Μπόουλερ, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Τώρα ο Xin Wang, αστρονόμος στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών στο Πεκίνο, και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι τα βρήκαν. «Είναι πραγματικά σουρεαλιστικό», είπε ο Wang. Απαιτείται ακόμη επιβεβαίωση. το χαρτί της ομάδας, δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org στις 8 Δεκεμβρίου, περιμένει αξιολόγηση από ομοτίμους στις Φύση.

Ακόμα κι αν οι ερευνητές κάνουν λάθος, μια πιο πειστική ανίχνευση των πρώτων αστεριών μπορεί να μην είναι μακριά. JWST, που είναι μεταμορφώνοντας τεράστιες περιοχές της αστρονομίας, θεωρείται ικανό να κοιτάξει αρκετά μακριά στο χώρο και στο χρόνο για να τα δει. Ήδη, το γιγάντιο πλωτό τηλεσκόπιο έχει εντοπίσει μακρινούς γαλαξίες των οποίων είναι ασυνήθιστο λάμψη υποδηλώνει ότι μπορεί να περιέχουν αστέρια Πληθυσμού III. Και άλλες ερευνητικές ομάδες που συναγωνίζονται να ανακαλύψουν τα αστέρια με το JWST αναλύουν τα δικά τους δεδομένα τώρα. "Αυτό είναι απολύτως ένα από τα πιο καυτά ερωτήματα", είπε Μάικ Νόρμαν, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο που μελετά τα αστέρια σε προσομοιώσεις υπολογιστή.

Μια οριστική ανακάλυψη θα επέτρεπε στους αστρονόμους να αρχίσουν να διερευνούν το μέγεθος και την εμφάνιση των άστρων, πότε υπήρχαν, και πώς, στο αρχέγονο σκοτάδι, άναψαν ξαφνικά.

«Είναι πραγματικά μια από τις πιο θεμελιώδεις αλλαγές στην ιστορία του σύμπαντος», είπε ο Bowler.

Πληθυσμός III

Περίπου 400,000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια εγκαταστάθηκαν αρκετά ώστε να συνδυαστούν σε άτομα υδρογόνου και ηλίου. Καθώς η θερμοκρασία συνέχιζε να πέφτει, η σκοτεινή ύλη συσσωρεύτηκε σταδιακά, τραβώντας τα άτομα μαζί της. Μέσα στις συστάδες, το υδρογόνο και το ήλιο συνθλίβονταν από τη βαρύτητα, συμπυκνώνονταν σε τεράστιες μπάλες αερίου μέχρι που, μόλις οι μπάλες ήταν αρκετά πυκνές, πυρηνική σύντηξη αναφλέχθηκε ξαφνικά στα κέντρα τους. Τα πρώτα αστέρια γεννήθηκαν.

Ο Γερμανός αστρονόμος Walter Baade κατηγοριοποιήθηκαν Τα αστέρια του γαλαξία μας σε τύπους I και II το 1944. Το πρώτο περιλαμβάνει τον ήλιο μας και άλλα πλούσια σε μέταλλα αστέρια. το τελευταίο περιέχει παλαιότερα αστέρια κατασκευασμένα από ελαφρύτερα στοιχεία. Η ιδέα των αστέρων του πληθυσμού III μπήκε στη λογοτεχνία δεκαετίες αργότερα. Σε μια εργασία του 1984 που ανέβασε το προφίλ τους, ο Βρετανός αστροφυσικός Bernard Carr περιέγραψε τον ζωτικό ρόλο αυτή η αρχική φυλή αστεριών μπορεί να έπαιζε στο πρώιμο σύμπαν. «Η θερμότητα ή οι εκρήξεις τους θα μπορούσαν να επαναιονίσουν το σύμπαν», έγραψαν ο Καρ και οι συνάδελφοί του, «… και η απόδοση τους σε βαρέα στοιχεία θα μπορούσε να έχει προκαλέσει μια έκρηξη προγαλαξιακού εμπλουτισμού», δημιουργώντας μεταγενέστερα αστέρια πλουσιότερα σε βαρύτερα στοιχεία.

Ο Carr και οι συν-συγγραφείς του υπολόγισαν ότι τα αστέρια θα μπορούσαν να έχουν μεγαλώσει σε τεράστια μεγέθη, με μάζα από μερικές εκατοντάδες έως 100,000 φορές μεγαλύτερη από τον ήλιο μας, λόγω του μεγάλου όγκου υδρογόνου και αερίου ηλίου που ήταν διαθέσιμο στο πρώιμο σύμπαν.

Αυτά που βρίσκονται στο βαρύτερο άκρο του εύρους, τα λεγόμενα υπερμεγέθη αστέρια, θα ήταν σχετικά δροσερά, κόκκινα και φουσκωμένα, με μεγέθη που θα μπορούσαν να καλύπτουν σχεδόν ολόκληρο το ηλιακό μας σύστημα. Πυκνότερες, πιο μέτριου μεγέθους παραλλαγές των άστρων του Πληθυσμού ΙΙΙ θα είχαν λάμψει μπλε καυτές, με επιφανειακές θερμοκρασίες περίπου 50,000 βαθμών Κελσίου, σε σύγκριση με μόλις 5,500 βαθμούς για τον ήλιο μας.

Το 2001, οι προσομοιώσεις υπολογιστή με επικεφαλής τον Norman εξήγησαν πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν τόσο μεγάλα αστέρια. Στο παρόν σύμπαν, τα σύννεφα αερίου κατακερματίζονται σε πολλά μικρά αστέρια. Αλλά οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα νέφη αερίου στο πρώιμο σύμπαν, που ήταν πολύ θερμότερα από τα σύγχρονα σύννεφα, δεν μπορούσαν να συμπυκνωθούν τόσο εύκολα και επομένως ήταν λιγότερο αποτελεσματικά στο σχηματισμό άστρων. Αντίθετα, ολόκληρα σύννεφα θα κατέρρεαν σε ένα μοναδικό, γιγάντιο αστέρι.

Οι τεράστιες αναλογίες τους σήμαιναν ότι τα αστέρια ήταν βραχύβια, που διήρκεσαν μερικά εκατομμύρια χρόνια το πολύ. (Τα αστέρια με μεγαλύτερη μάζα καίγονται πιο γρήγορα μέσω των διαθέσιμων καυσίμων τους.) Ως εκ τούτου, τα αστέρια του Πληθυσμού III δεν θα είχαν διαρκέσει πολύ στην ιστορία του σύμπαντος - ίσως μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια καθώς οι τελευταίοι θύλακες αρχέγονου αερίου διασκορπίστηκαν.

Υπάρχουν πολλές αβεβαιότητες. Πόσο μαζικά έγιναν αυτά τα αστέρια; Πόσο αργά στο σύμπαν υπήρξαν; Και πόσο άφθονα ήταν στο πρώιμο σύμπαν; "Είναι τελείως διαφορετικά αστέρια από τα αστέρια στον δικό μας γαλαξία", είπε ο Bowler. «Είναι απλά τόσο ενδιαφέροντα αντικείμενα».

Επειδή είναι τόσο μακριά και υπήρχαν τόσο σύντομα, η εύρεση αποδεικτικών στοιχείων για αυτούς ήταν μια πρόκληση. Ωστόσο, το 1999, αστρονόμοι στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder προέβλεψαν ότι τα αστέρια θα παράγουν μια ενδεικτική υπογραφή: μια συγκεκριμένη συχνότητα φωτός από ήλιο-2. Αυτή η ασταθής μορφή ηλίου περιέχει μόνο δύο πρωτόνια στον πυρήνα της, ενώ το κανονικό ήλιο έχει επίσης δύο νετρόνια. «Η εκπομπή ηλίου στην πραγματικότητα δεν προέρχεται από τα ίδια τα αστέρια», εξήγησε ο Τζέιμς Τράσλερ, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. Μάλλον, δημιουργήθηκε όταν ενεργητικά φωτόνια από τις καυτές επιφάνειες των άστρων όργωναν σε αέριο που περιβάλλει το αστέρι.

«Είναι μια σχετικά απλή πρόβλεψη», δήλωσε ο Daniel Schaerer από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης, ο οποίος επέκτεινε την ιδέα το 2002. Το κυνήγι είχε ξεκινήσει. 

Βρίσκοντας τα πρώτα αστέρια

Το 2015, ο Schaerer και οι συνεργάτες του σκέφτηκαν ότι μπορεί να είχαν βρει κάτι. Αυτοί εντόπισε μια πιθανή υπόδειξη μιας υπογραφής ηλίου-2 σε έναν μακρινό, πρωτόγονο γαλαξία που θα μπορούσε να είχε συνδεθεί με μια ομάδα αστέρων του Πληθυσμού III. Δεδομένου ότι εμφανίστηκε 800 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ο γαλαξίας έμοιαζε σαν να περιέχει τα πρώτα στοιχεία για τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν.

Αργότερα έργο με επικεφαλής τον Bowler αμφισβήτησε τα ευρήματα. «Βρήκαμε στοιχεία για την εκπομπή οξυγόνου από την πηγή. Αυτό απέκλεισε ένα καθαρό σενάριο Πληθυσμού ΙΙΙ», είπε. Ανεξάρτητη ομάδα λοιπόν απέτυχε να ανιχνεύσει τη γραμμή ηλίου-2 είδε η αρχική ομάδα. «Δεν ήταν εκεί», είπε ο Μπόουλερ.

Θα μπορούσαν άλλοι να τα πάνε καλύτερα;

Αστρονόμοι εναποθέτησαν τις ελπίδες τους στο JWST, που εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2021. Το τηλεσκόπιο, με τον τεράστιο καθρέφτη του και την άνευ προηγουμένου ευαισθησία του στο υπέρυθρο φως, μπορεί να κοιτάξει πιο εύκολα στο πρώιμο σύμπαν από οποιοδήποτε τηλεσκόπιο πριν από αυτό. (Επειδή το φως χρειάζεται χρόνο για να ταξιδέψει εδώ, το τηλεσκόπιο βλέπει αμυδρά, μακρινά αντικείμενα όπως εμφανίστηκαν πριν από πολύ καιρό.) Το τηλεσκόπιο μπορεί επίσης να κάνει φασματοσκοπία, διασπώντας το φως στα συστατικά του μήκη κύματος, κάτι που του επιτρέπει να αναζητήσει το χαρακτηριστικό γνώρισμα ηλίου-2 του Πληθυσμός III αστέρια.

Η ομάδα του Wang ανέλυσε δεδομένα φασματοσκοπίας για περισσότερους από 2,000 στόχους του JWST. Ο ένας είναι ένας μακρινός γαλαξίας που φαίνεται όπως εμφανίστηκε μόλις 620 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σύμφωνα με τους ερευνητές, ο γαλαξίας χωρίζεται σε δύο κομμάτια. Η ανάλυσή τους έδειξε ότι το ένα ήμισυ φαίνεται να έχει τη βασική υπογραφή του ηλίου-2 αναμεμειγμένο με φως από άλλα στοιχεία, δυνητικά υποδεικνύοντας έναν υβριδικό πληθυσμό χιλιάδων Πληθυσμού III και άλλων αστεριών. Η φασματοσκοπία του δεύτερου μισού του γαλαξία δεν έχει ακόμη γίνει, αλλά η φωτεινότητά του υποδηλώνει ένα πιο πλούσιο σε πληθυσμό ΙΙΙ περιβάλλον.

«Προσπαθούμε να υποβάλουμε αίτηση για χρόνο παρατήρησης για το JWST στον επόμενο κύκλο για να καλύψει ολόκληρο τον γαλαξία», είπε ο Wang, προκειμένου «να έχουμε μια φωτογραφία επιβεβαίωσης τέτοιων αντικειμένων».

Ο γαλαξίας είναι ένας «ξυστής του κεφαλιού», σύμφωνα με τον Norman. Εάν τα αποτελέσματα του ηλίου-2 αντέχουν σε εξονυχιστικό έλεγχο, είπε, «μία πιθανότητα είναι ένα σύμπλεγμα αστεριών Πληθυσμού ΙΙΙ». Ωστόσο, δεν είναι σίγουρος αν τα αστέρια του Πληθυσμού III και τα μεταγενέστερα αστέρια θα μπορούσαν να αναμειχθούν τόσο εύκολα.

Daniel Whalen, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ, ήταν εξίσου προσεκτικός. «Σίγουρα θα μπορούσε να είναι απόδειξη ενός μείγματος αστέρων του πληθυσμού III και του πληθυσμού II σε έναν γαλαξία», είπε. Ωστόσο, αν και αυτό θα ήταν «η πρώτη άμεση απόδειξη» των πρώτων αστεριών του σύμπαντος, ο Whalen είπε, «δεν είναι καθαρά στοιχεία». Άλλα καυτά κοσμικά αντικείμενα μπορούν να παράγουν παρόμοια υπογραφή ηλίου-2, συμπεριλαμβανομένων καυτών δίσκων υλικού που στροβιλίζονται γύρω από μαύρες τρύπες.

Ο Wang πιστεύει ότι η ομάδα του μπορεί να αποκλείσει μια μαύρη τρύπα ως πηγή επειδή δεν εντόπισε συγκεκριμένες υπογραφές οξυγόνου, αζώτου ή ιονισμένου άνθρακα που θα αναμενόταν σε αυτή την περίπτωση. Ωστόσο, η εργασία εξακολουθεί να περιμένει αξιολόγηση από ομοτίμους, και ακόμη και τότε, οι επακόλουθες παρατηρήσεις θα πρέπει να επιβεβαιώσουν τα πιθανά ευρήματά της.

Hot on the Trail

Άλλες ομάδες που χρησιμοποιούν JWST κυνηγούν επίσης τα πρώτα αστέρια.

Εκτός από την αναζήτηση ηλίου-2, μια άλλη μέθοδος αναζήτησης, που προτάθηκε από τον αστρονόμο Rogier Windhorst του κρατικού πανεπιστημίου της Αριζόνα και τους συνεργάτες του το 2018, είναι να χρησιμοποιήστε τη βαρύτητα γιγάντια σμήνη γαλαξιών για να δούμε μεμονωμένα αστέρια στο πρώιμο σύμπαν. Η χρήση ενός τεράστιου αντικειμένου όπως ένα σμήνος για να παραμορφώσει το φως και να μεγεθύνει πιο μακρινά αντικείμενα (μια τεχνική γνωστή ως βαρυτικός φακός) είναι ένας συνηθισμένος τρόπος με τον οποίο οι αστρονόμοι αποκτούν όψεις μακρινών γαλαξιών. Ο Windhorst πίστευε ότι ακόμη και μεμονωμένα αστέρια του Πληθυσμού ΙΙΙ που πλησιάζουν στην άκρη ενός βαρύ σμήνος «θα μπορούσαν κατ' αρχήν να υποστούν σχεδόν άπειρη μεγέθυνση» και να εμφανιστούν, είπε.

Ο Windhorst οδηγεί ένα πρόγραμμα JWST δηλαδή επιχειρώντας την τεχνική. «Είμαι αρκετά σίγουρος ότι σε ένα ή δύο χρόνια θα έχουμε δει μερικά», είπε. «Έχουμε ήδη κάποιους υποψήφιους». Ομοίως, ο Eros Vanzella, αστρονόμος στο Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στην Ιταλία, είναι οδηγώντας ένα πρόγραμμα που μελετά μια συστάδα 10 ή 20 υποψηφίων αστεριών Πληθυσμού ΙΙΙ χρησιμοποιώντας βαρυτικό φακό. «Απλώς παίζουμε με τα δεδομένα τώρα», είπε.

Και παραμένει η δελεαστική πιθανότητα ότι κάποια από τα απροσδόκητα φωτεινοί γαλαξίες που έχουν ήδη δει το JWST στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσαν να οφείλουν τη φωτεινότητά τους στα τεράστια αστέρια του πληθυσμού III. «Αυτές είναι ακριβώς οι εποχές όπου περιμένουμε να σχηματιστούν τα πρώτα αστέρια», είπε η Vanzella. «Ελπίζω… ότι τις επόμενες εβδομάδες ή μήνες, θα εντοπιστούν τα πρώτα αστέρια».