אסטרונומים אומרים שהם הבחינו בכוכבים הראשונים של היקום

קבוצה של אסטרונומים שבדקה את הנתונים מטלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) צפתה באור מאיזוטופ נדיר של הליום בגלקסיה מרוחקת, מה שעשוי להצביע על נוכחות הדור הראשון של כוכבים ביקום.

הכוכבים המבוקשים האלה, שזכו לכינוי "אוכלוסיה III", היו כדורים ענקיים של מימן והליום שפוסלו מהגז הקדמון של היקום. תיאורטיקנים החלו לדמיין את כדורי האש הראשונים הללו בשנות ה-1970, תוך השערה שלאחר חיים קצרים, הם התפוצצו כסופרנובות, יצרו יסודות כבדים יותר ופולטים אותם אל הקוסמוס. חומר הכוכבים הזה הוליד מאוחר יותר כוכבי אוכלוסיה II ששופעים יותר ביסודות כבדים, ואז כוכבי אוכלוסיה I עשירים יותר כמו השמש שלנו, כמו גם כוכבי לכת, אסטרואידים, שביטים ובסופו של דבר החיים עצמם.

"אנחנו קיימים, לכן אנחנו יודעים שחייב היה להיות דור ראשון של כוכבים", אמר רבקה בולר, אסטרונום באוניברסיטת מנצ'סטר בבריטניה.

עכשיו שין וואנג, אסטרונום באקדמיה הסינית למדעים בבייג'ינג, ועמיתיו חושבים שהם מצאו אותם. "זה ממש סוריאליסטי," אמר וואנג. עדיין יש צורך באישור; העיתון של הצוות, פורסם בשרת ה-preprint arxiv.org ב-8 בדצמבר, ממתין לביקורת עמיתים ב טבע.

גם אם החוקרים טועים, ייתכן שזיהוי משכנע יותר של הכוכבים הראשונים אינו רחוק. JWST, כלומר שינוי חלקים עצומים של אסטרונומיה, נחשב מסוגל להציץ רחוק מספיק במרחב ובזמן כדי לראות אותם. כבר, הטלסקופ הצף הענק זיהה גלקסיות רחוקות שהן יוצאות דופן בְּהִירוּת מציע שהם עשויים להכיל כוכבי אוכלוסייה III. וקבוצות מחקר אחרות שמתחרות על גילוי הכוכבים עם JWST מנתחות את הנתונים שלהן כעת. "זו בהחלט אחת השאלות החמות ביותר שעומדות", אמר מייק נורמן, פיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, שחוקר את הכוכבים בהדמיות מחשב.

תגלית מוחלטת תאפשר לאסטרונומים להתחיל לחקור את גודלם ומראה הכוכבים, מתי הם קיימים, וכיצד, בחושך הקדמון, הם נדלקו לפתע.

"זה באמת אחד השינויים המהותיים ביותר בהיסטוריה של היקום", אמר בולר.

אוכלוסייה III

כ-400,000 שנים לאחר המפץ הגדול, אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים התיישבו מספיק כדי להתאחד לאטומי מימן והליום. כשהטמפרטורה המשיכה לרדת, החומר האפל התקבץ בהדרגה, ומשך איתו את האטומים. בתוך הגושים, מימן והליום נמעכו על ידי כוח הכבידה, והתעבו לכדורי גז עצומים עד שברגע שהכדורים היו צפופים מספיק, התלקח פתאום היתוך גרעיני במרכזם. הכוכבים הראשונים נולדו.

האסטרונום הגרמני וולטר באדה מסווג הכוכבים בגלקסיה שלנו לסוגים I ו-II בשנת 1944. הראשון כולל את השמש שלנו וכוכבים עשירים במתכות אחרים; האחרון מכיל כוכבים ישנים יותר עשויים מאלמנטים קלים יותר. הרעיון של כוכבי אוכלוסייה III נכנס לספרות עשרות שנים מאוחר יותר. במאמר משנת 1984 שהעלה את הפרופיל שלהם, האסטרופיזיקאי הבריטי ברנרד קאר תיאר את התפקיד החיוני ייתכן שהזן המקורי של הכוכבים שיחק ביקום המוקדם. "החום או הפיצוצים שלהם יכלו ליינן מחדש את היקום", כתבו קאר ועמיתיו, "... ותפוקת היסודות הכבדים שלהם יכלה לייצר פרץ של העשרה פרה-גלקטית", והולידו כוכבים מאוחרים יותר עשירים יותר ביסודות כבדים יותר.

קאר ושותפיו העריכו שהכוכבים יכלו לגדול לגדלים עצומים, ולמדוד בכל מקום בין כמה מאות ל-100,000 פעמים יותר מסיבי השמש שלנו, בגלל הנפח הגדול של גז מימן והליום הזמינים ביקום המוקדם.

אלה בקצה הכבד יותר של הטווח, מה שנקרא כוכבים סופר-מסיביים, היו קרירים יחסית, אדומים ונפוחים, עם גדלים שיכולים להקיף כמעט את כל מערכת השמש שלנו. גרסאות צפופות יותר בגודל צנוע יותר של כוכבי אוכלוסייה III היו זוהרות כחולה וחמה, עם טמפרטורות פני השטח של כ-50,000 מעלות צלזיוס, בהשוואה ל-5,500 מעלות בלבד עבור השמש שלנו.

בשנת 2001 הסבירו הדמיות מחשב בראשות נורמן איך כוכבים גדולים כל כך יכולים להיווצר. ביקום הנוכחי, ענני גז מתפצלים להמון כוכבים קטנים. אבל ההדמיות הראו שענני גז ביקום המוקדם, בהיותם הרבה יותר חמים מעננים מודרניים, לא יכלו להתעבות באותה קלות ולכן היו פחות יעילים בהיווצרות כוכבים. במקום זאת, עננים שלמים יקרסו לכוכב יחיד וענק.

הפרופורציות העצומות שלהם הביאו לכך שהכוכבים היו קצרי מועד, ונמשכו כמה מיליוני שנים לכל היותר. (כוכבים מסיביים יותר נשרפים דרך הדלק הזמין שלהם מהר יותר.) ככזה, כוכבי אוכלוסיה III לא היו נמשכים זמן רב בהיסטוריה של היקום - אולי כמה מאות מיליוני שנים כשהכיסים האחרונים של הגז הקדמון התפוגגו.

יש הרבה אי ודאות. עד כמה הפכו הכוכבים האלה למסיביים באמת? כמה מאוחר ביקום הם היו קיימים? ועד כמה הם היו בשפע ביקום המוקדם? "הם כוכבים שונים לחלוטין מהכוכבים בגלקסיה שלנו", אמר בולר. "הם פשוט חפצים מעניינים כל כך."

מכיוון שהם כל כך רחוקים והתקיימו כל כך לזמן קצר, מציאת הוכחות עבורם הייתה אתגר. עם זאת, בשנת 1999, אסטרונומים מאוניברסיטת קולורדו, בולדר חזו שהכוכבים צריכים לייצר חתימה מעידה: תדר ספציפי של אור מהליום-2. צורה לא יציבה זו של הליום מכילה רק שני פרוטונים בגרעין שלה, בעוד שלהליום רגיל יש גם שני נויטרונים. "פליטת ההליום אינה מקורה למעשה מתוך הכוכבים עצמם", הסביר ג'יימס טרוסלר, אסטרונום מאוניברסיטת מנצ'סטר; במקום זאת, הוא נוצר כאשר פוטונים אנרגטיים מהמשטחים החמים של הכוכבים חרשו לתוך גז המקיף את הכוכב.

"זו תחזית פשוטה יחסית", אמר דניאל שיירר מאוניברסיטת ז'נבה הרחיב את הרעיון ב-2002. המצוד יצא לדרך. 

מציאת הכוכבים הראשונים

בשנת 2015, שאירר ועמיתיו חשבו שאולי מצאו משהו. הֵם זיהה רמז אפשרי של חתימת הליום-2 בגלקסיה מרוחקת ופרימיטיבית שאולי הייתה קשורה לקבוצה של כוכבי אוכלוסיה III. כפי שהיא הופיעה 800 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול, הגלקסיה נראתה כאילו היא עשויה להכיל את העדויות הראשונות לכוכבים הראשונים ביקום.

עבודה מאוחרת יותר בהובלת באולר חלק על הממצאים. "מצאנו עדויות לפליטת חמצן מהמקור. זה שלל תרחיש טהור של אוכלוסייה III", אמרה. אז קבוצה עצמאית לא הצליח לזהות את קו ההליום-2 נראה על ידי הצוות הראשוני. "זה לא היה שם," אמר בולר.

האם אחרים יכולים להסתדר טוב יותר?

אסטרונומים תלו את תקוותיהם ב-JWST, ששוגר בדצמבר 2021. הטלסקופ, עם המראה העצומה שלו ורגישותו חסרת התקדים לאור אינפרא אדום, יכול להציץ בקלות רבה יותר אל היקום המוקדם מכל טלסקופ לפניו. (מכיוון שלאור לוקח זמן לנסוע כאן, הטלסקופ רואה עצמים חלשים ורחוקים כפי שהם הופיעו לפני זמן רב.) הטלסקופ יכול גם לבצע ספקטרוסקופיה, ולפרק את האור לאורכי הגל המרכיבים שלו, מה שמאפשר לו לחפש את סימן ההיכר של הליום-2 של כוכבי אוכלוסיה III.

הצוות של וואנג ניתח נתוני ספקטרוסקופיה עבור יותר מ-2,000 מהמטרות של JWST. האחת היא גלקסיה רחוקה שנראתה כפי שהופיעה רק 620 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול. לדברי החוקרים, הגלקסיה מפוצלת לשני חלקים. הניתוח שלהם הראה שלחצי אחד נראה חתימת המפתח של הליום-2 מעורבב עם אור מיסודות אחרים, מה שיכול להצביע על אוכלוסיה היברידית של אלפי אוכלוסייה III וכוכבים אחרים. ספקטרוסקופיה של המחצית השנייה של הגלקסיה טרם נעשתה, אך בהירותה מרמזת על סביבה עשירה יותר באוכלוסיה III.

"אנחנו מנסים להגיש בקשה לתצפית זמן ל-JWST במחזור הבא כדי לכסות את כל הגלקסיה", אמר וואנג, כדי "לבצע צילום של אובייקטים כאלה".

הגלקסיה היא "מגרדת ראש", לפי נורמן. אם תוצאות ההליום-2 עומדות בבדיקה, הוא אמר, "אפשרות אחת היא צביר של כוכבי אוכלוסייה III". עם זאת, הוא לא בטוח אם כוכבי אוכלוסיה III וכוכבים מאוחרים יותר יכולים להתערבב כל כך בקלות.

דניאל וילן, אסטרופיזיקאי מאוניברסיטת פורטסמות', היה זהיר באופן דומה. "זו בהחלט יכולה להיות עדות לתערובת של כוכבי אוכלוסייה III ואוכלוסיה II בגלקסיה אחת", אמר. עם זאת, למרות שזו תהיה "הראיה הישירה הראשונה" לכוכבים הראשונים של היקום, Whalen אמר, "זו לא ראיה נקייה". אובייקטים קוסמיים לוהטים אחרים יכולים לייצר חתימה דומה של הליום-2, כולל דיסקים צורבים של חומר שמתערבלים סביב חורים שחורים.

וואנג חושב שהצוות שלו יכול לשלול חור שחור כמקור מכיוון שהם לא זיהו חתימות ספציפיות של חמצן, חנקן או פחמן מיונן שניתן היה לצפות במקרה זה. עם זאת, העבודה עדיין ממתינה לביקורת עמיתים, וגם אז, תצפיות המשך יצטרכו לאשר את הממצאים הפוטנציאליים שלה.

חם על השביל

קבוצות אחרות המשתמשות ב-JWST מחפשות גם הן את הכוכבים הראשונים.

מלבד חיפוש אחר הליום-2, שיטת חיפוש נוספת, שהוצעה על ידי האסטרונום רוג'יר ווינדהורסט מאוניברסיטת אריזונה סטייט ועמיתיו ב-2018, היא להשתמש בכוח המשיכה של צבירי גלקסיות ענקיים לראות כוכבים בודדים ביקום המוקדם. שימוש באובייקט מסיבי כמו צביר כדי לעוות את האור ולהגדיל עצמים רחוקים יותר (טכניקה המכונה עדשת כבידה) היא דרך נפוצה שבה אסטרונומים משיגים תצוגות של גלקסיות רחוקות. ווינדהורסט האמין שאפילו כוכבים בודדים מאוכלוסיה III המתקרבים לקצה צביר כבד "יכולים באופן עקרוני לעבור הגדלה כמעט אינסופית" ולצץ לעין, אמר.

Windhorst מוביל תוכנית JWST כלומר מנסה את הטכניקה. "אני די בטוח שבעוד שנה או שנתיים נראה כמה", אמר. "כבר יש לנו כמה מועמדים." באופן דומה, ארוס ואנזלה, אסטרונום במכון הלאומי לאסטרופיזיקה באיטליה, הוא מוביל תוכנית זה חוקר גוש של 10 או 20 כוכבי מועמדים מאוכלוסיה III באמצעות עדשות כבידה. "אנחנו רק משחקים עם הנתונים עכשיו", אמר.

ונשארת האפשרות המגרה שחלק מה גלקסיות בהירות באופן בלתי צפוי שכבר נראתה על ידי JWST ביקום המוקדם יכול להיות חייב את הבהירות שלהם לכוכבים מסיביים של אוכלוסייה III. "אלה בדיוק התקופות שבהן אנו מצפים שהכוכבים הראשונים ייווצרו", אמר ואנזלה. "אני מקווה... שבשבועות או בחודשים הקרובים, הכוכבים הראשונים יתגלו."