ستاره شناسان می گویند اولین ستاره های کیهان را دیده اند

گروهی از اخترشناسان که داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) را بررسی می‌کنند، نوری از ایزوتوپ کمیاب هلیوم در یک کهکشان دور را مشاهده کرده‌اند که می‌تواند حضور اولین نسل از ستاره‌های کیهان را نشان دهد.

این ستاره‌هایی که مدت‌ها به‌دنبال نام‌گذاری نامناسب «جمعیت III» بودند، توپ‌های عظیمی از هیدروژن و هلیوم هستند که از گاز اولیه کیهان مجسمه‌سازی شده‌اند. نظریه پردازان در دهه 1970 شروع به تخیل اولین گوی های آتشین کردند و این فرضیه را مطرح کردند که پس از عمر کوتاه، آنها به صورت ابرنواختر منفجر شدند و عناصر سنگین تری را ساختند و به کیهان پرتاب کردند. این مواد ستاره‌ای بعداً باعث ایجاد ستاره‌های جمعیت II با عناصر سنگین‌تر، سپس ستارگان ثروتمندتر جمعیت I مانند خورشید ما، و همچنین سیارات، سیارک‌ها، دنباله‌دارها و در نهایت خود حیات شد.

گفت: "ما وجود داریم، بنابراین می دانیم که باید اولین نسل از ستارگان وجود داشته باشد." ربکا بولر، ستاره شناس دانشگاه منچستر در بریتانیا.

اکنون شین وانگ، ستاره شناس آکادمی علوم چین در پکن، و همکارانش فکر می کنند آنها را پیدا کرده اند. وانگ گفت: «این واقعاً سورئال است. هنوز تأیید لازم است. کاغذ تیم، در سرور preprint arxiv.org ارسال شده است در 8 دسامبر، در انتظار بررسی همتایان است طبیعت.

حتی اگر محققان اشتباه کنند، تشخیص قانع‌کننده‌تر اولین ستاره‌ها ممکن است دور از دسترس نباشد. JWST که هست دگرگونی بخش های وسیعی از نجوم، تصور می شود که می تواند به اندازه کافی دور در مکان و زمان نگاه کند تا آنها را ببیند. در حال حاضر، تلسکوپ غول پیکر شناور کهکشان های دوردست را شناسایی کرده است که غیرعادی هستند روشنایی نشان می دهد که آنها ممکن است حاوی ستاره های جمعیت III باشند. و گروه‌های تحقیقاتی دیگری که برای کشف ستارگان با JWST رقابت می‌کنند، اکنون داده‌های خود را تجزیه و تحلیل می‌کنند. گفت: «این کاملاً یکی از داغ‌ترین سؤالات است مایک نورمن، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو که ستاره ها را در شبیه سازی های کامپیوتری مطالعه می کند.

یک کشف قطعی به اخترشناسان اجازه می دهد تا شروع به بررسی اندازه و ظاهر ستارگان، زمان وجود آنها و چگونگی روشن شدن ناگهانی آنها در تاریکی اولیه کنند.

بولر گفت: "این واقعاً یکی از اساسی ترین تغییرات در تاریخ جهان است."

جمعیت III

حدود 400,000 سال پس از انفجار بزرگ، الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها به اندازه‌ای نشستند که به اتم‌های هیدروژن و هلیوم تبدیل شوند. با کاهش دما، ماده تاریک به تدریج جمع شد و اتم ها را با خود می کشید. در داخل توده ها، هیدروژن و هلیوم توسط گرانش له شدند و به گلوله های گازی عظیم متراکم شدند تا زمانی که توپ ها به اندازه کافی متراکم شدند، همجوشی هسته ای ناگهان در مرکز آنها مشتعل شد. اولین ستاره ها متولد شدند.

ستاره شناس آلمانی والتر بااد تفکیک شده ستاره های کهکشان ما در سال 1944 به انواع I و II تبدیل شدند. دومی شامل ستاره های قدیمی تر است که از عناصر سبک تر ساخته شده اند. ایده ستاره های Population III چندین دهه بعد وارد ادبیات شد. برنارد کار، اخترفیزیکدان بریتانیایی، در مقاله ای در سال 1984 که شهرت آنها را افزایش داد نقش حیاتی را تشریح کرد این نژاد اصلی ستاره ممکن است در جهان اولیه بازی کرده باشد. کار و همکارانش می‌نویسند: «گرما یا انفجار آن‌ها می‌توانست جهان را دوباره یونیزه کند، ... و بازده عنصر سنگین آن‌ها می‌تواند انفجاری از غنی‌سازی پیش کهکشانی ایجاد کند،» و باعث پیدایش ستاره‌های بعدی غنی‌تر از عناصر سنگین‌تر شود.

کار و همکارانش تخمین زدند که ستارگان به دلیل حجم زیادی از گاز هیدروژن و هلیوم موجود در کیهان اولیه، می‌توانستند به اندازه‌های بسیار بزرگی رشد کرده باشند، که اندازه‌ای بین چند صد تا 100,000 برابر جرم خورشید ما دارند.

ستاره‌هایی که در انتهای سنگین‌تر این محدوده قرار دارند، به اصطلاح ستارگان پرجرم، نسبتاً سرد، قرمز و پف کرده بودند، با اندازه‌هایی که تقریباً کل منظومه شمسی ما را در بر می‌گرفت. گونه‌های متراکم‌تر و کم‌اندازه‌تر از ستارگان جمعیت III با دمای سطحی حدود 50,000 درجه سانتی‌گراد، در مقایسه با تنها 5,500 درجه برای خورشید ما، به رنگ آبی داغ می‌درخشیدند.

در سال 2001، شبیه سازی های کامپیوتری به رهبری نورمن توضیح داد چگونه چنین ستاره های بزرگی می توانند تشکیل شوند. در جهان کنونی، ابرهای گازی به تعداد زیادی ستاره کوچک تقسیم می شوند. اما شبیه‌سازی‌ها نشان داد که ابرهای گازی در جهان اولیه، که بسیار داغ‌تر از ابرهای امروزی بودند، نمی‌توانستند به راحتی متراکم شوند و بنابراین در شکل‌گیری ستاره‌ها کارآیی کمتری داشتند. در عوض، کل ابرها به یک ستاره غول پیکر فرو می ریزند.

نسبت بسیار زیاد آنها به این معنی بود که ستارگان عمر کوتاهی داشتند و حداکثر چند میلیون سال دوام داشتند. (ستاره‌های پرجرم‌تر از طریق سوخت موجود خود سریع‌تر می‌سوزند.) به این ترتیب، ستارگان جمعیت III در تاریخ کیهان دوام زیادی نداشتند - شاید چند صد میلیون سال پس از پراکنده شدن آخرین کیسه‌های گاز اولیه.

عدم قطعیت های زیادی وجود دارد. واقعاً این ستارگان چقدر حجیم شدند؟ چقدر دیر در جهان وجود داشتند؟ و در اوایل جهان چقدر فراوان بودند؟ بولر گفت: «آنها ستارگانی کاملاً متفاوت با ستاره های کهکشان خودمان هستند. "آنها فقط اشیاء جالبی هستند."

از آنجا که آنها بسیار دور هستند و به طور خلاصه وجود داشته اند، یافتن شواهد برای آنها یک چالش بوده است. با این حال، در سال 1999، ستاره شناسان دانشگاه کلرادو، بولدر پیش بینی کردند که ستارگان باید یک امضای گویا تولید کنید: فرکانس خاص نور از هلیوم-2. این شکل ناپایدار هلیوم تنها حاوی دو پروتون در هسته خود است، در حالی که هلیوم معمولی دارای دو نوترون است. جیمز تراسلر، ستاره شناس دانشگاه منچستر، توضیح داد: «انتشار هلیوم در واقع از درون خود ستارگان سرچشمه نمی گیرد. بلکه زمانی ایجاد شد که فوتون های پرانرژی از سطوح داغ ستارگان به گاز اطراف ستاره شخم زدند.

دانیل شایرر از دانشگاه ژنو گفت: «این یک پیش‌بینی نسبتاً ساده است. این ایده را در سال 2002 گسترش داد. شکار ادامه داشت. 

پیدا کردن اولین ستاره ها

در سال 2015، Schaerer و همکارانش فکر کردند که ممکن است چیزی پیدا کرده باشند. آنها یک اشاره احتمالی را شناسایی کرد امضای هلیوم-2 در یک کهکشان بدوی دوردست که ممکن است به گروهی از ستارگان جمعیت III مرتبط باشد. این کهکشان 800 میلیون سال پس از بیگ بنگ ظاهر شد، به نظر می رسد که ممکن است اولین شواهدی از اولین ستارگان در جهان را در خود داشته باشد.

کار بعدی به رهبری بولر یافته ها را به چالش کشید. ما شواهدی برای انتشار اکسیژن از منبع پیدا کردیم. او گفت که این سناریوی خالص جمعیت III را رد کرد. پس یک گروه مستقل نتوانست خط هلیوم-2 را شناسایی کند توسط تیم اولیه دیده می شود. بولر گفت: «آنجا نبود.

آیا دیگران می توانند وضعیت بهتری داشته باشند؟

ستاره شناسان امید خود را به JWST بسته اند، که در دسامبر 2021 پرتاب شد. این تلسکوپ با آینه عظیم و حساسیت بی سابقه اش به نور مادون قرمز، می تواند راحت تر از هر تلسکوپ قبلی به جهان اولیه نگاه کند. (از آنجایی که نور برای سفر به اینجا زمان می برد، تلسکوپ اجرام کم نور و دور را همانطور که مدت ها پیش ظاهر شده اند می بیند.) تلسکوپ همچنین می تواند طیف سنجی انجام دهد و نور را به طول موج های تشکیل دهنده اش تجزیه کند، که به آن اجازه می دهد تا به دنبال نشانه هلیوم-2 باشد. ستاره های جمعیت III.

تیم وانگ داده های طیف سنجی بیش از 2,000 هدف JWST را تجزیه و تحلیل کردند. یکی یک کهکشان دوردست است که درست 620 میلیون سال پس از انفجار بزرگ دیده می شود. به گفته محققان، کهکشان به دو قسمت تقسیم شده است. تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که به نظر می رسد نیمی از آنها دارای امضای کلیدی هلیوم-2 با نور عناصر دیگر هستند که به طور بالقوه به جمعیت ترکیبی هزاران نفر از جمعیت III و ستاره های دیگر اشاره می کند. طیف‌سنجی نیمه دوم کهکشان هنوز انجام نشده است، اما روشنایی آن به محیطی غنی‌تر از جمعیت III اشاره دارد.

وانگ گفت: "ما در تلاش هستیم برای مشاهده زمان برای JWST در چرخه بعدی درخواست کنیم تا کل کهکشان را پوشش دهیم."

به گفته نورمن کهکشان یک "سرخارنده" است. او گفت اگر نتایج هلیوم-2 قابل بررسی باشد، "یکی از احتمالات خوشه ای از ستاره های جمعیت III است." با این حال، او مطمئن نیست که آیا ستارگان جمعیت III و ستارگان بعدی می توانند به راحتی با هم ترکیب شوند یا خیر.

دنیل والنیک اخترفیزیکدان در دانشگاه پورتسموث نیز به همین ترتیب محتاط بود. او گفت: «این قطعاً می تواند شواهدی از ترکیبی از ستارگان جمعیت III و جمعیت II در یک کهکشان باشد. با این حال، اگرچه این اولین شواهد مستقیم از اولین ستارگان جهان است، اما ولن گفت، "این شواهد پاکی نیست." سایر اجسام داغ کیهانی لوله‌کشی می‌کنند که می‌توانند نشانه مشابهی از هلیوم-2 تولید کنند، از جمله دیسک‌های سوزاننده‌ای از مواد که در اطراف سیاه‌چاله‌ها می‌چرخند.

وانگ فکر می‌کند که تیمش می‌تواند منشأ سیاهچاله را رد کند، زیرا آنها نشانه‌های اکسیژن، نیتروژن یا کربن یونیزه‌شده‌ای را که در آن مورد انتظار می‌رود، شناسایی نکرده‌اند. با این حال، کار هنوز در انتظار بررسی همتایان است، و حتی در آن زمان، مشاهدات بعدی باید یافته‌های بالقوه آن را تأیید کند.

داغ در مسیر

گروه های دیگری که از JWST استفاده می کنند نیز به دنبال اولین ستاره ها هستند.

علاوه بر جستجوی هلیوم-2، روش جستجوی دیگری که توسط ستاره شناس راجیه ویندهورست از دانشگاه ایالتی آریزونا و همکارانش در سال 2018 ارائه شد، این است که از جاذبه استفاده کنید خوشه های غول پیکر کهکشان برای دیدن ستارگان منفرد در کیهان اولیه. استفاده از یک جرم عظیم مانند یک خوشه برای تاب برداشتن نور و بزرگنمایی اجرام دورتر (تکنیکی که به عنوان عدسی گرانشی شناخته می شود) روشی متداول است که اخترشناسان نماهایی از کهکشان های دوردست را به دست می آورند. وی گفت که ویندهورست معتقد بود که حتی ستاره‌های منفرد جمعیت III که به لبه یک خوشه سنگین نزدیک می‌شوند، «در اصل می‌توانند تقریباً بی‌نهایت بزرگ‌نمایی کنند» و در معرض دید قرار گیرند.

Windhorst یک برنامه JWST را رهبری می کند تلاش برای تکنیک. او گفت: "من کاملاً مطمئن هستم که در یک یا دو سال آینده شاهد برخی از آنها خواهیم بود." ما قبلاً چند نامزد داریم.» به همین ترتیب، اروس وانزلا، ستاره شناس مؤسسه ملی اخترفیزیک در ایتالیا، رهبری یک برنامه که در حال مطالعه توده ای از 10 یا 20 ستاره نامزد جمعیت III با استفاده از عدسی گرانشی است. او گفت: «ما اکنون فقط با داده ها بازی می کنیم.

و این احتمال وسوسه انگیز وجود دارد که برخی از کهکشان های درخشان غیر منتظره قبلاً توسط JWST در کیهان اولیه دیده شده بود، می‌توانست درخشندگی آنها را مدیون ستارگان عظیم جمعیت III باشد. وانزلا گفت: "این دقیقاً همان دوره هایی است که انتظار داریم اولین ستاره ها در حال شکل گیری باشند." "امیدوارم... در هفته ها یا ماه های آینده، اولین ستاره ها شناسایی شوند."