Tähtitieteilijät sanovat havainneensa maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet

Ryhmä tähtitieteilijöitä, jotka tutkivat James Webbin avaruusteleskoopin (JWST) tietoja, ovat havainneet valoa harvinaisesta heliumin isotoopista kaukaisessa galaksissa, mikä saattaa viitata maailmankaikkeuden ensimmäisen tähtisukupolven olemassaoloon.

Nämä kauan etsityt, sopimattomasti nimetyt "Population III" tähdet olisivat olleet valtavia vedyn ja heliumin palloja, jotka on muotoiltu universumin alkukaasusta. Teoreetikot alkoivat kuvitella näitä ensimmäisiä tulipalloja 1970-luvulla olettaen, että lyhyen eliniän jälkeen ne räjähtivät supernovina, muodostaen raskaampia elementtejä ja sylkeen niitä kosmokseen. Tästä tähtiaineesta syntyi myöhemmin Population II tähtiä, joissa oli enemmän raskaita alkuaineita, sitten vielä rikkaampia Population I tähtiä, kuten aurinkoamme, sekä planeettoja, asteroideja, komeettoja ja lopulta itse elämää.

"Olemme olemassa, joten tiedämme, että tähtien on täytynyt olla ensimmäinen sukupolvi", sanoi Rebecca Bowler, tähtitieteilijä Manchesterin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Nyt Xin Wang, Kiinan tiedeakatemian tähtitieteilijä Pekingissä, ja hänen kollegansa luulevat löytäneensä heidät. "Se on todella surrealistista", Wang sanoi. Vahvistusta tarvitaan edelleen; joukkueen paperi, julkaistu preprint-palvelimella arxiv.org 8. joulukuuta, odottaa vertaisarviointia klo luonto.

Vaikka tutkijat ovat väärässä, ensimmäisten tähtien vakuuttavampi havaitseminen ei välttämättä ole kaukana. JWST, joka on muuttaa valtavia tähtitieteen alueita, uskotaan pystyvän katsomaan tarpeeksi kauas tilassa ja ajassa nähdäkseen ne. Jättimäinen kelluva teleskooppi on jo havainnut kaukaisia ​​galakseja, jotka ovat epätavallisia kirkkaus ehdottaa, että ne voivat sisältää Population III tähtiä. Muut tutkimusryhmät, jotka kilpailevat tähtien löytämisestä JWST:n avulla, analysoivat nyt omia tietojaan. "Tämä on ehdottomasti yksi kuumimmista kysymyksistä", sanoi Mike Norman, fyysikko Kalifornian yliopistosta San Diegosta, joka tutkii tähtiä tietokonesimulaatioissa.

Lopullinen löytö antaisi tähtitieteilijöille mahdollisuuden alkaa tutkia tähtien kokoa ja ulkonäköä, milloin ne olivat olemassa ja kuinka ne yhtäkkiä syttyivät alkupimeydessä.

"Se on todella yksi perustavanlaatuisimmista muutoksista maailmankaikkeuden historiassa", Bowler sanoi.

Väestö III

Noin 400,000 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen elektronit, protonit ja neutronit asettuivat riittävästi yhdistyäkseen vety- ja heliumatomeiksi. Lämpötilan laskiessa pimeä aine vähitellen kasautui ja veti atomeja mukanaan. Möykkyjen sisällä painovoima puristi vetyä ja heliumia tiivistyen valtaviksi kaasupalloiksi, kunnes kun pallot olivat tarpeeksi tiheitä, ydinfuusio syttyi yhtäkkiä niiden keskuksissa. Ensimmäiset tähdet syntyivät.

Saksalainen tähtitieteilijä Walter Baade luokiteltu galaksimme tähdet tyypeiksi I ja II vuonna 1944. Ensin mainittu sisältää aurinkomme ja muut metallirikkaat tähdet; jälkimmäinen sisältää vanhempia tähtiä, jotka on tehty kevyemmistä elementeistä. Ajatus Population III -tähdistä tuli kirjallisuuteen vuosikymmeniä myöhemmin. Vuonna 1984 julkaistussa artikkelissa, joka nosti heidän profiiliaan, brittiläinen astrofyysikko Bernard Carr kuvasi elintärkeää roolia tämä alkuperäinen tähtirotu on saattanut pelata varhaisessa universumissa. "Heidän lämpönsä tai räjähdyksensä olisivat saattaneet ionisoida maailmankaikkeuden uudelleen", Carr ja hänen kollegansa kirjoittivat, "...ja heidän raskaiden alkuaineiden saanto olisi voinut aiheuttaa esigalaktisen rikastumisen purskeen", mikä synnytti myöhemmin tähdet, jotka olivat rikkaampia raskaammista alkuaineista.

Carr ja hänen kirjoittajansa arvioivat, että tähdet olisivat voineet kasvaa valtaviin kokoihin, ja ne olisivat voineet olla muutamasta sadasta 100,000 XNUMX kertaa aurinkoamme massiivisempia, koska varhaisessa universumissa oli runsaasti vetyä ja heliumkaasua.

Alueen raskaammassa päässä olevat, niin kutsutut supermassiiviset tähdet, olisivat olleet suhteellisen viileitä, punaisia ​​ja paisuneita, ja niiden koko olisi voinut kattaa melkein koko aurinkokuntamme. Populaatio III -tähtien tiheämmät, vaatimattomamman kokoiset muunnelmat olisivat loistaneet sinisenä kuumana, ja pintalämpötila olisi ollut noin 50,000 5,500 celsiusastetta, kun aurinkomme lämpötila on vain XNUMX XNUMX astetta.

Vuonna 2001 Normanin johtamat tietokonesimulaatiot selittivät kuinka niin suuria tähtiä voi muodostua. Nykyisessä maailmankaikkeudessa kaasupilvet hajoavat useiksi pieniksi tähdiksi. Mutta simulaatiot osoittivat, että varhaisen universumin kaasupilvet, jotka olivat paljon kuumempia kuin nykyiset pilvet, eivät voineet tiivistyä yhtä helposti ja olivat siksi vähemmän tehokkaita tähtien muodostumisessa. Sen sijaan kokonaiset pilvet romahtaisivat yhdeksi jättiläistähdeksi.

Niiden valtavat mittasuhteet tarkoittivat, että tähdet olivat lyhytikäisiä ja kestivät enintään muutaman miljoonan vuoden. (Massiivisemmat tähdet palavat käytettävissä olevaan polttoaineeseensa nopeammin.) Sellaisenaan Population III tähdet eivät olisi kestäneet kauan universumin historiassa – ehkä muutama sata miljoonaa vuotta, kun viimeiset alkukaasutaskut hävisivät.

Epävarmuustekijöitä on monia. Kuinka massiivisia näistä tähdistä todella tuli? Kuinka myöhään maailmankaikkeudessa ne olivat olemassa? Ja kuinka runsaasti niitä oli varhaisessa universumissa? "Ne ovat täysin erilaisia ​​tähtiä kuin oman galaksimme tähdet", Bowler sanoi. "Ne ovat vain niin mielenkiintoisia esineitä."

Koska ne ovat niin kaukana ja olleet olemassa niin lyhyen aikaa, todisteiden löytäminen niille on ollut haaste. Vuonna 1999 Coloradon yliopiston tähtitieteilijät Boulder ennustivat kuitenkin, että tähtien pitäisi tuottaa varoittava allekirjoitus: Helium-2:n valon tietty taajuus. Tämä epävakaa heliumin muoto sisältää vain kaksi protonia ytimeessään, kun taas tavallisessa heliumissa on myös kaksi neutronia. "Heliumpäästö ei itse asiassa ole peräisin itse tähtien sisältä", selitti James Trussler, tähtitieteilijä Manchesterin yliopistosta. pikemminkin se syntyi, kun energiset fotonit tähtien kuumilta pinnoilta kyntyivät tähteä ympäröiväksi kaasuksi.

"Se on suhteellisen yksinkertainen ennuste", sanoi Daniel Schaerer Geneven yliopistosta laajensi ideaa vuonna 2002. Metsästys oli käynnissä. 

Ensimmäisten tähtien löytäminen

Vuonna 2015 Schaerer ja hänen kollegansa ajattelivat löytäneensä jotain. Ne havaitsi mahdollisen vihjeen helium-2-signatuurista kaukaisessa primitiivisessä galaksissa, joka on saattanut olla yhteydessä Population III -tähtien ryhmään. Kun galaksi nähtiin 800 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, se näytti siltä, ​​että se voisi sisältää ensimmäiset todisteet maailmankaikkeuden ensimmäisistä tähdistä.

Myöhemmin Bowlerin johtama työ kiisti havainnot. "Löysimme todisteita happipäästöistä lähteestä. Se sulki pois puhtaan populaatio III -skenaarion", hän sanoi. Siis itsenäinen ryhmä ei onnistunut havaitsemaan helium-2-linjaa alkuperäisen tiimin näkemä. "Se ei ollut siellä", Bowler sanoi.

Voisiko muut pärjätä paremmin?

tähtitieteilijät panivat toivonsa JWST:hen, joka lanseerattiin joulukuussa 2021. Valtava peilinsä ja ennennäkemättömän infrapunavaloherkkyytensä ansiosta kaukoputkella on helpompi kurkistaa varhaiseen universumiin kuin mikään sitä edeltävä kaukoputki. (Koska valon kulkeutuminen tänne vie aikaa, kaukoputki näkee himmeät, kaukana olevat kohteet sellaisina kuin ne ilmestyivät kauan sitten.) Teleskooppi voi myös tehdä spektroskopiaa jakamalla valon komponenttiaallonpituuksiinsa, jolloin se voi etsiä helium-2:n tunnusmerkkiä. Populaatio III tähdet.

Wangin tiimi analysoi yli 2,000 620 JWST:n kohteen spektroskopiatietoja. Toinen on kaukainen galaksi sellaisena kuin se ilmestyi vain 2 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Tutkijoiden mukaan galaksi on jaettu kahteen osaan. Heidän analyysinsä osoitti, että toisella puoliskolla näyttää olevan helium-XNUMX:n avainmerkki sekoitettuna muiden alkuaineiden valoon, mikä mahdollisesti viittaa tuhansien Population III -tähtien ja muiden tähtien hybridipopulaatioon. Galaksin toisen puoliskon spektroskopia on vielä tekemättä, mutta sen kirkkaus viittaa populaatio III -rikkaampaan ympäristöön.

"Yritämme hakea JWST:lle havainnointiaikaa seuraavassa jaksossa koko galaksin kattamiseksi", Wang sanoi saadakseen mahdollisuuden "varmistaa tällaisten kohteiden esiintyminen".

Galaksi on Normanin mukaan "pään raapija". Jos helium-2-tulokset kestävät tarkastelun, hän sanoi, "yksi mahdollisuus on Population III -tähtien joukko." Hän ei kuitenkaan ole varma, voisivatko Population III -tähdet ja myöhemmät tähdet sekoittua yhteen niin helposti.

Daniel Whalen, astrofyysikko Portsmouthin yliopistosta, oli yhtä varovainen. "Se voisi varmasti olla todiste Population III- ja Population II -tähtien sekoituksesta yhdessä galaksissa", hän sanoi. Vaikka tämä olisi "ensimmäinen suora todiste" universumin ensimmäisistä tähdistä, Whalen sanoi, "se ei ole puhdas todiste." Muut kuumat kosmiset esineet voivat tuottaa samanlaisen helium-2-merkin, mukaan lukien paahtavat materiaalilevyt, jotka pyörivät mustien aukkojen ympärillä.

Wang uskoo, että hänen tiiminsä voi sulkea pois mustan aukon lähteen, koska he eivät havainneet spesifisiä happea, typpeä tai ionisoitua hiiltä, ​​joita siinä tapauksessa odotettaisiin. Työ odottaa kuitenkin vielä vertaisarviointia, ja silloinkin seurantahavaintojen on vahvistettava sen mahdolliset havainnot.

Kuuma polulla

Myös muut JWST:tä käyttävät ryhmät jahtaavat ensimmäisiä tähtiä.

Helium-2:n etsimisen lisäksi toinen Arizonan osavaltion yliopiston tähtitieteilijän Rogier Windhorstin ja kollegoiden vuonna 2018 ehdottama hakumenetelmä on käyttää painovoimaa jättimäisiä galaksijoukkoja nähdäkseen yksittäisiä tähtiä varhaisessa universumissa. Massiivisen esineen, kuten klusterin, käyttäminen valon vääntämiseen ja kauempana olevien kohteiden suurentamiseen (tekniikka, joka tunnetaan nimellä gravitaatiolinssi) on yleinen tapa tähtitieteilijöille saada näkymiä kaukaisista galakseista. Windhorst uskoi, että jopa yksittäiset populaation III tähdet, jotka lähestyvät raskaan joukon reunaa, "voivat periaatteessa läpikäydä lähes äärettömän suurentumisen" ja ponnahtaa näkyviin, hän sanoi.

Windhorst johtaa JWST-ohjelmaa yrittää tekniikkaa. "Olen melko varma, että vuoden tai kahden kuluttua näemme joitain", hän sanoi. "Meillä on jo muutamia ehdokkaita." Vastaavasti Eros Vanzella, tähtitieteilijä Italian kansallisesta astrofysiikan instituutista, on ohjelman johtaminen joka tutkii 10 tai 20 ehdokaspopulaatio III -tähden ryhmää gravitaatiolinssien avulla. "Nyt leikitään datalla", hän sanoi.

Ja edelleen on houkutteleva mahdollisuus, että jotkut odottamattoman kirkkaita galakseja JWST:n jo varhaisessa universumissa näkemä kirkkaus voi johtua massiivisista Population III -tähdistä. "Nämä ovat juuri niitä aikakausia, jolloin odotamme ensimmäisten tähtien muodostuvan", Vanzella sanoi. "Toivon… että seuraavien viikkojen tai kuukausien aikana ensimmäiset tähdet havaitaan."