Astronoomid ütlevad, et nad on märganud universumi esimesi tähti

Rühm astronoome, kes uurivad James Webbi kosmoseteleskoobi (JWST) andmeid, on näinud kauges galaktikas asuva haruldase heeliumi isotoobi valgust, mis võib viidata universumi kõige esimese põlvkonna tähtede olemasolule.

Need kaua otsitud, sobimatu nimega "Populatsioon III" tähed oleksid olnud hiiglaslikud vesiniku ja heeliumi pallid, mis on kujundatud universumi ürggaasist. Teoreetikud hakkasid neid esimesi tulekerasid ette kujutama 1970. aastatel, püstitades hüpoteesi, et pärast lühikest eluiga plahvatasid need supernoovadena, sepistades raskemaid elemente ja paiskades need kosmosesse. Sellest tähevärgist tekkisid hiljem II populatsiooni tähed, mis sisaldasid rohkem raskeid elemente, seejärel veelgi rikkamad I populatsiooni tähed, nagu meie päike, aga ka planeedid, asteroidid, komeedid ja lõpuks ka elu ise.

"Me oleme olemas, seega teame, et seal pidi olema esimene staaride põlvkond," ütles Rebecca Bowler, Ühendkuningriigi Manchesteri ülikooli astronoom.

Nüüd arvavad Pekingi Hiina Teaduste Akadeemia astronoom Xin Wang ja tema kolleegid, et on nad leidnud. "See on tõesti sürreaalne," ütles Wang. Vaja on veel kinnitust; meeskonna paber, postitatud eeltrükiserverisse arxiv.org 8. detsembril ootab eksperdihinnangut kl loodus.

Isegi kui teadlased eksivad, ei pruugi esimeste tähtede veenvam tuvastamine olla kaugel. JWST, mis on muutes tohutuid astronoomiaalasid, arvatakse olevat võimeline piiluma ruumis ja ajas piisavalt kaugele, et neid näha. Hiiglaslik ujuvteleskoop on juba tuvastanud kaugeid galaktikaid, mis on ebatavalised heledus viitab sellele, et need võivad sisaldada III populatsiooni tähti. Ja teised uurimisrühmad, kes võistlevad tähtede avastamiseks JWST-iga, analüüsivad praegu oma andmeid. "See on absoluutselt üks kuumemaid küsimusi," ütles Mike Norman, San Diego California ülikooli füüsik, kes uurib tähti arvutisimulatsioonides.

Lõplik avastus võimaldaks astronoomidel hakata uurima tähtede suurust ja välimust, millal need eksisteerisid ja kuidas nad ürgses pimeduses äkitselt süttisid.

"See on tõesti üks fundamentaalsemaid muudatusi universumi ajaloos," ütles Bowler.

Rahvastik III

Umbes 400,000 XNUMX aastat pärast Suurt Pauku settisid elektronid, prootonid ja neutronid piisavalt, et ühineda vesiniku- ja heeliumiaatomiteks. Kui temperatuur pidevalt langes, kogunes tumeaine järk-järgult kokku, tõmmates aatomeid endaga kaasa. Tükkide sees suruti gravitatsioon kokku vesiniku ja heeliumiga, kondenseerudes tohututeks gaasipallideks, kuni kui kuulid olid piisavalt tihedad, süttis nende keskpunktides ootamatult tuumasüntees. Esimesed tähed sündisid.

Saksa astronoom Walter Baade liigitatud meie galaktika tähed I ja II tüüpi 1944. aastal. Esimene hõlmab meie päikest ja teisi metallirikkaid tähti; viimane sisaldab vanemaid heledamatest elementidest koosnevaid tähti. III populatsiooni tähtede idee jõudis kirjandusse aastakümneid hiljem. 1984. aastal avaldatud artiklis, mis tõstis nende tuntust, kirjutas Briti astrofüüsik Bernard Carr kirjeldas elutähtsat rolli see algne tähetõug võis mängida varases universumis. "Nende kuumus või plahvatused oleksid võinud universumi uuesti ioniseerida," kirjutasid Carr ja tema kolleegid, "...ja nende raskete elementide saagis oleks võinud esile kutsuda galaktilise rikastamise plahvatuse, põhjustades hilisemaid raskemate elementide poolest rikkamaid tähti.

Carr ja tema kaasautorid leidsid, et varajases universumis leiduva vesiniku ja heeliumgaasi suure hulga tõttu võisid tähed kasvada tohututeks suurusteks, olles meie päikesest mõnisada kuni 100,000 XNUMX korda massiivsemad.

Need, mis asuvad vahemiku raskemas otsas, nn supermassiivsed tähed, oleksid olnud suhteliselt jahedad, punased ja ülespuhutud ning suurustega, mis võiksid hõlmata peaaegu kogu meie päikesesüsteemi. III populatsiooni tähtede tihedamad ja tagasihoidlikuma suurusega variandid oleksid säranud siniselt kuumalt, pinnatemperatuuriga umbes 50,000 5,500 kraadi Celsiuse järgi, meie päikese puhul aga vaid XNUMX kraadi.

2001. aastal selgitasid Normani juhitud arvutisimulatsioonid kuidas nii suured tähed võivad tekkida. Praeguses universumis lagunevad gaasipilved paljudeks väikesteks tähtedeks. Kuid simulatsioonid näitasid, et varajase universumi gaasipilved, mis olid palju kuumemad kui tänapäevased pilved, ei saanud nii kergesti kondenseeruda ja olid seetõttu tähtede tekkes vähem tõhusad. Selle asemel vajuksid terved pilved üheks hiiglaslikuks täheks.

Nende tohutud proportsioonid tähendasid, et tähed olid lühiealised, kestsid kõige rohkem paar miljonit aastat. (Massiivsemad tähed põlevad oma olemasoleva kütuse kiiremini läbi.) Sellisena poleks III populatsiooni tähed universumi ajaloos kaua vastu pidanud – võib-olla paarsada miljonit aastat, kui viimased ürggaasi taskud hajusid.

Ebakindlust on palju. Kui massiliseks need tähed tegelikult said? Kui hilja nad universumisse jõudsid? Ja kui palju oli neid varases universumis? "Nad on meie enda galaktika tähtedest täiesti erinevad tähed," ütles Bowler. "Need on lihtsalt nii huvitavad objektid."

Kuna need on nii kaugel ja eksisteerisid nii lühikest aega, on nende kohta tõendite leidmine olnud väljakutse. Kuid 1999. aastal ennustasid Colorado ülikooli astronoomid Boulder, et tähed peaksid andma märguande allkirja: heelium-2 valguse erisagedus. See ebastabiilne heeliumi vorm sisaldab oma tuumas ainult kahte prootonit, samas kui tavalisel heeliumil on ka kaks neutronit. "Heeliumi emissioon ei pärine tegelikult tähtedest endist," selgitas Manchesteri ülikooli astronoom James Trussler; pigem tekkis see siis, kui tähtede kuumadelt pindadelt pärit energeetilised footonid kündsid tähte ümbritsevaks gaasiks.

"See on suhteliselt lihtne ennustus," ütles Daniel Schaerer Genfi ülikoolist laiendas seda ideed 2002. aastal. Jaht käis. 

Esimeste tähtede leidmine

2015. aastal arvasid Schaerer ja tema kolleegid, et nad võisid midagi leida. Nad tuvastas võimaliku vihje heelium-2 signatuurist kauges primitiivses galaktikas, mis võis olla seotud III populatsiooni tähtede rühmaga. Vaadates seda 800 miljonit aastat pärast Suurt Pauku, näis galaktika, nagu võiks see sisaldada esimesi tõendeid universumi esimeste tähtede kohta.

Hilisem töö Bowleri juhtimisel vaidlustanud järeldused. "Leidsime tõendeid allika hapnikuheite kohta. See välistas puhta III populatsiooni stsenaariumi, ”ütles ta. Iseseisev grupp siis heelium-2 liini tuvastamine ebaõnnestus näinud esialgne meeskond. "Seda polnud seal," ütles Bowler.

Kas teistel võiks paremini minna?

Astronoomid panid oma lootused JWST-le, mis käivitati 2021. aasta detsembris. Oma tohutu peegli ja enneolematu infrapunavalguse tundlikkusega teleskoop suudab varajast universumit hõlpsamini vaadata kui ükski teleskoop enne seda. (Kuna valgusel kulub siia liikumiseks aega, näeb teleskoop nõrku, kaugeid objekte, nagu need ilmusid juba ammu.) Teleskoop võib teha ka spektroskoopiat, jaotades valguse selle komponentide lainepikkusteks, mis võimaldab tal otsida heelium-2 tunnust. III populatsiooni tähed.

Wangi meeskond analüüsis rohkem kui 2,000 JWST-i sihtmärgi spektroskoopia andmeid. Üks neist on kauge galaktika, nagu see ilmus vaid 620 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Teadlaste sõnul on galaktika jagatud kaheks osaks. Nende analüüs näitas, et ühel poolel näib olevat heelium-2 võtmetunnus, mis on segatud teiste elementide valgusega, mis võib osutada tuhandete III populatsiooni ja teiste tähtede hübriidpopulatsioonile. Galaktika teise poole spektroskoopia on veel tegemata, kuid selle heledus viitab III populatsiooni rikkamale keskkonnale.

"Püüame taotleda JWST vaatlemisaega järgmises tsüklis, et katta kogu galaktika," ütles Wang, et "selliste objektide kinnitamine oleks võimalik".

Normani sõnul on galaktika "pea kriimustaja". Kui heelium-2 tulemused peavad vastu, ütles ta: "Üks võimalus on III populatsiooni tähtede kogum." Ta pole aga kindel, kas III populatsiooni tähed ja hilisemad tähed suudavad nii kergesti seguneda.

Daniel Whalen, Portsmouthi ülikooli astrofüüsik, oli sama ettevaatlik. "See võib kindlasti olla tõendiks III ja II populatsiooni tähtede segunemisest ühes galaktikas," ütles ta. Kuigi see oleks "esimene otsene tõend" universumi esimeste tähtede kohta, ütles Whalen, "see pole puhas tõend." Teised kuumad kosmilised objektid võivad tekitada sarnase heelium-2 tunnuse, sealhulgas kõrvetavad materjalikettad, mis keerlevad mustade aukude ümber.

Wang arvab, et tema meeskond võib musta augu allikana välistada, kuna nad ei tuvastanud spetsiifilisi hapniku-, lämmastiku- või ioniseeritud süsinikusignatuure, mida sel juhul oodata võiks. Kuid töö ootab endiselt vastastikust eksperdihinnangut ja isegi siis peavad järelvaatlused kinnitama selle võimalikke tulemusi.

Kuum rajal

Teised JWST-d kasutavad rühmad jahivad samuti esimesi tähti.

Lisaks heelium-2 otsimisele on Arizona osariigi ülikooli astronoom Rogier Windhorsti ja kolleegide poolt 2018. aastal välja pakutud teine ​​otsingumeetod kasutada gravitatsiooni hiiglaslikest galaktikaparvedest, et näha üksikuid tähti varases universumis. Massiivse objekti, näiteks parve kasutamine valguse kõverdamiseks ja kaugemate objektide suurendamiseks (tehnika, mida tuntakse gravitatsiooniläätsena) on tavaline viis, kuidas astronoomid saavad kaugete galaktikate vaateid. Windhorst uskus, et isegi üksikud III populatsiooni tähed, mis lähenevad raske parve servale, "võivad põhimõtteliselt läbida peaaegu lõpmatu suurenduse" ja ilmuda nähtavale, ütles ta.

Windhorst juhib JWST programmi, mis on tehnikat proovides. "Ma olen üsna kindel, et aasta või kahe pärast oleme mõnda näinud," ütles ta. "Meil on juba mõned kandidaadid." Samamoodi on Itaalia riikliku astrofüüsika instituudi astronoom Eros Vanzella. programmi juhtimine see uurib gravitatsiooniläätsede abil 10 või 20 kandidaadi III populatsiooni tähte. "Me lihtsalt mängime praegu andmetega," ütles ta.

Ja jääb ahvatlev võimalus, et mõned ootamatult heledad galaktikad mida JWST juba varases universumis nägi, võisid oma heleduse võlgneda massiivsetele III populatsiooni tähtedele. "Need on täpselt need ajastud, kus me eeldame, et esimesed tähed tekivad," ütles Vanzella. "Ma loodan, et järgmiste nädalate või kuude jooksul tuvastatakse esimesed tähed."