A csillagászok azt mondják, hogy észrevették az Univerzum első csillagait

A group of astronomers poring over data from the James Webb Space Telescope (JWST) has glimpsed light from a rare isotope of helium in a distant galaxy, which could indicate the presence of the universe’s very first generation of stars.

Ezek a régóta keresett, „III. népesség” elnevezésű csillagok óriási hidrogén- és héliumgömbök lettek volna, amelyeket az univerzum ősgázából faragtak. A teoretikusok az 1970-es években kezdték elképzelni ezeket az első tűzgolyókat, és azt feltételezték, hogy rövid élettartamuk után szupernóvaként robbantak fel, nehezebb elemeket kovácsolva a kozmoszba. Ebből a csillaganyagból később a nehéz elemekben bővelkedő II. Population csillagok, majd a még gazdagabb I. populációba tartozó csillagok, például a mi Napunk, valamint bolygók, aszteroidák, üstökösök és végül maga az élet is létrejött.

„Létezünk, ezért tudjuk, hogy létezhetett a sztárok első generációja” – mondta Rebecca Bowler, az Egyesült Királyság Manchesteri Egyetemének csillagásza.

Most Xin Wang, a pekingi Kínai Tudományos Akadémia csillagásza és kollégái úgy gondolják, hogy megtalálták őket. „Ez igazán szürreális” – mondta Wang. Még mindig szükség van megerősítésre; a csapat papírja, közzétéve az arxiv.org nyomtatás előtti szerveren december 8-án várja a szakértői értékelést a címen Természet.

Még ha a kutatók tévednek is, az első csillagok meggyőzőbb észlelése már nem lehet messze. JWST, ami a csillagászat hatalmas területeit átalakítva, úgy gondolják, hogy elég messzire néz térben és időben ahhoz, hogy lássa őket. A gigantikus lebegő teleszkóp már észlelte a távoli galaxisokat, amelyek szokatlanok fényesség azt sugallja, hogy III. populációba tartozó csillagokat tartalmazhatnak. Más kutatócsoportok pedig, amelyek a JWST segítségével a csillagok felfedezéséért küzdenek, most elemzik saját adataikat. „Ez az egyik legforróbb kérdés” – mondta Mike Norman, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem fizikusa, aki számítógépes szimulációkban tanulmányozza a csillagokat.

Egy végleges felfedezés lehetővé tenné a csillagászok számára, hogy megvizsgálják a csillagok méretét és megjelenését, hogy mikor léteztek, és hogyan világítottak ki hirtelen az őssötétben.

„Ez valóban az egyik legalapvetőbb változás az univerzum történetében” – mondta Bowler.

Népesség III

Körülbelül 400,000 XNUMX évvel az Ősrobbanás után az elektronok, protonok és neutronok eléggé leülepedtek ahhoz, hogy hidrogén- és héliumatommá egyesüljenek. Ahogy a hőmérséklet folyamatosan csökkent, a sötét anyag fokozatosan összetapadt, magával húzva az atomokat. A csomók belsejében a hidrogén és a hélium a gravitáció hatására összenyomódott, és hatalmas gázgömbökké kondenzálódott, mígnem amint a golyók elég sűrűek lettek, a magfúzió hirtelen meggyulladt a központjukban. Megszülettek az első csillagok.

Walter Baade német csillagász kategorizált a galaxisunkban lévő csillagok I. és II. típusba sorolhatók 1944-ben. Az előbbibe a napunk és más fémekben gazdag csillagok tartoznak; ez utóbbi világosabb elemekből készült régebbi csillagokat tartalmaz. A Population III csillagok ötlete évtizedekkel később került be az irodalomba. Bernard Carr brit asztrofizikus egy 1984-es tanulmányban, amely növelte a profiljukat leírta a létfontosságú szerepet ez az eredeti fajta csillag játszhatott a korai univerzumban. „Hőjük vagy robbanásaik újra ionizálhatták volna az univerzumot” – írták Carr és kollégái – „...a nehézelem-hozamuk pedig a galaktikus előtti dúsulás kitörését eredményezhette volna, ami későbbi, nehezebb elemekkel gazdagabb csillagokat eredményezett.

Carr és szerzőtársai úgy becsülték, hogy a csillagok hatalmas méretűre nőhettek, a napunknál néhány száz-százezerszer nagyobb tömegűek a korai univerzumban rendelkezésre álló nagy mennyiségű hidrogén és hélium miatt.

A tartomány nehezebb végén lévők, az úgynevezett szupermasszív csillagok viszonylag hűvösek, vörösek és dagadtak lettek volna, méretük pedig szinte az egész naprendszerünket lefedhette volna. A III. populáció csillagainak sűrűbb, szerényebb méretű változatai kéken, forrón ragyogtak volna, felszíni hőmérsékletük körülbelül 50,000 5,500 Celsius-fok, míg a mi napunk esetében mindössze XNUMX fok.

2001-ben a Norman által vezetett számítógépes szimulációk kifejtették hogyan keletkezhettek ekkora csillagok. A jelenlegi univerzumban a gázfelhők sok kis csillagra töredeznek. A szimulációk azonban azt mutatták, hogy a korai univerzumban a gázfelhők, amelyek sokkal melegebbek voltak, mint a modern felhők, nem tudtak olyan könnyen lecsapódni, és ezért kevésbé hatékonyak a csillagkeletkezésben. Ehelyett egész felhők omlanak össze egyetlen, óriási csillaggá.

Hatalmas arányuk azt jelentette, hogy a csillagok rövid életűek voltak, legfeljebb néhány millió évig éltek. (A tömegesebb csillagok gyorsabban égetik el a rendelkezésre álló tüzelőanyagot.) Mint ilyenek, a III. populációba tartozó csillagok nem tartottak volna sokáig az univerzum történetében – talán néhány százmillió évig, amikor az ősgáz utolsó zsebei eloszlottak.

Sok a bizonytalanság. Milyen masszívak lettek valójában ezek a csillagok? Milyen későn léteztek az univerzumban? És milyen bőségesek voltak a korai univerzumban? „Teljesen más csillagok, mint a mi galaxisunk csillagai” – mondta Bowler. – Olyan érdekes tárgyak ezek.

Mivel olyan távol vannak, és olyan rövid ideig léteztek, nehéz volt bizonyítékot találni rájuk. 1999-ben azonban a Colorado Egyetem Boulder csillagászai azt jósolták, hogy a csillagoknak árulkodó aláírást készíteni: a specific frequency of light from helium-2. This unstable form of helium only contains two protons in its nucleus, while regular helium also has two neutrons. “The helium emission is not actually originating from within the stars themselves,” explained James Trussler, an astronomer at the University of Manchester; rather, it was created when energetic photons from the stars’ hot surfaces plowed into gas surrounding the star.

„Ez egy viszonylag egyszerű jóslat” – mondta Daniel Schaerer, a Genfi Egyetem munkatársa 2002-ben bővítette az ötletet. A vadászat folyt. 

Az első csillagok megtalálása

2015-ben Schaerer és kollégái úgy gondolták, hogy találtak valamit. Ők lehetséges utalást észlelt of a helium-2 signature in a distant, primitive galaxy that might have been linked to a group of Population III stars. Seen as it appeared 800 million years after the Big Bang, the galaxy looked as if it might contain the first evidence of the first stars in the universe.

Későbbi munka Bowler vezetésével vitatta a megállapításokat. „Bizonyítékot találtunk a forrás oxigénkibocsátására. Ez kizárta a tiszta Population III forgatókönyvet” – mondta. Akkor egy független csoport failed to detect the helium-2 line látta a kezdeti csapat. – Nem volt ott – mondta Bowler.

Mások járhatnának jobban?

A csillagászok reményeiket a JWST-hez fűzték, which launched in December 2021. The telescope, with its enormous mirror and unprecedented sensitivity to infrared light, can peer more easily into the early universe than any telescope before it. (Because light takes time to travel here, the telescope sees faint, faraway objects as they appeared long ago.) The telescope can also do spectroscopy, breaking up light into its component wavelengths, which allows it to look for the helium-2 hallmark of Population III stars.

Wang’s team analyzed spectroscopy data for more than 2,000 of JWST’s targets. One is a distant galaxy seen as it appeared just 620 million years after the Big Bang. According to the researchers, the galaxy is split into two pieces. Their analysis showed that one half seems to have the key signature of helium-2 mixed with light from other elements, potentially pointing to a hybrid population of thousands of Population III and other stars. Spectroscopy of the second half of the galaxy has yet to be done, but its brightness hints at a more Population III-rich environment.

"Megpróbálunk megfigyelési időt kérni a következő ciklusban a JWST számára, hogy lefedje az egész galaxist" - mondta Wang, hogy "egy lövésünk legyen az ilyen objektumok megerősítéséről".

The galaxy is a “head-scratcher,” according to Norman. If the helium-2 results stand up to scrutiny, he said, “one possibility is a cluster of Population III stars.” However, he’s unsure if Population III stars and later stars could mix together so readily.

Daniel Whalen, an astrophysicist at the University of Portsmouth, was similarly cautious. “It definitely could be evidence of a mixture of Population III and Population II stars in one galaxy,” he said. However, although this would be “the first direct evidence” of the universe’s first stars, Whalen said, “it’s not clean evidence.” Other piping hot cosmic objects can produce a similar signature of helium-2, including scorching disks of material that swirl around black holes.

Wang úgy gondolja, hogy csapata kizárhatja a fekete lyuk forrását, mert nem észleltek olyan specifikus oxigén-, nitrogén- vagy ionizált szén-jeleket, amelyek ebben az esetben várhatóak lennének. A munka azonban továbbra is szakértői értékelésre vár, és még akkor is nyomon követési megfigyeléseknek kell megerősíteniük a lehetséges megállapításokat.

Forró az ösvényen

Más, JWST-t használó csoportok is az első csillagokra vadásznak.

Besides looking for helium-2, another search method, proposed by the astronomer Rogier Windhorst of Arizona State University and colleagues in 2018, is to használja a gravitációt óriás galaxishalmazokat, hogy lássunk egyes csillagokat a korai univerzumban. Egy nagy tömegű objektum, például halmaz használata a fény elvetemítésére és a távolabbi objektumok felnagyítására (a gravitációs lencsék néven ismert technika) a csillagászok általános módja a távoli galaxisok képeinek megszerzésére. Windhorst úgy gondolta, hogy még az egyes III. populációba tartozó csillagok is, amelyek egy nehéz halmaz széléhez közelednek, „elvileg szinte végtelen nagyításon eshetnek át”, és megjelenhetnek a látómezőben – mondta.

Windhorst egy JWST programot vezet kipróbálva a technikát. „Biztos vagyok benne, hogy egy-két éven belül látni fogunk néhányat” – mondta. – Már van néhány jelöltünk. Hasonlóképpen, Eros Vanzella, az olaszországi Nemzeti Asztrofizikai Intézet csillagásza is program vezetése ez egy 10 vagy 20 jelölt Population III-csillag csoportját tanulmányozza gravitációs lencsék segítségével. „Most csak játszunk az adatokkal” – mondta.

És továbbra is fennáll az a csábító lehetőség, hogy néhány váratlanul fényes galaxisok amelyeket a JWST már a korai univerzumban is látott, fényességüket a hatalmas III. populációjú csillagoknak köszönhetik. "Pontosan ezekben a korszakokban számítunk az első csillagok kialakulására" - mondta Vanzella. "Remélem… hogy a következő hetekben vagy hónapokban észlelni fogják az első csillagokat."