天文学者は、宇宙の最初の星を発見したと言います

ジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) からのデータを精査している天文学者のグループが、遠く離れた銀河でヘリウムの希少な同位体からの光を垣間見ました。これは、宇宙の最初の世代の星の存在を示している可能性があります。

これらの長い間探し求められてきた、不適切な名前の「Population III」星は、宇宙の原始ガスから削り出された水素とヘリウムの巨大なボールだったでしょう。 理論家たちは 1970 年代にこれらの最初の火の玉を想像し始め、短い寿命の後、超新星として爆発し、より重い元素を作り、宇宙に吐き出したという仮説を立てました。 その星は後に、重元素がより豊富な種族IIの星を生み出し、次に、太陽のようなさらに豊富な種族Iの星、惑星、小惑星、彗星、そして最終的には生命そのものを生み出しました.

「私たちは存在するので、第一世代の星があったに違いないことを知っています」と彼は言いました。 レベッカ・ボウラー、イギリスのマンチェスター大学の天文学者。

現在、北京の中国科学院の天文学者である Xin Wang と彼の同僚は、それらを発見したと考えています。 「それは本当にシュールです」とワンは言いました。 まだ確認が必要です。 チームの論文、 プレプリントサーバーarxiv.orgに掲載 8 月 XNUMX 日に、で査読を待っています。 自然.

たとえ研究者が間違っていたとしても、最初の星のより説得力のある検出はそれほど遠くないかもしれません. JWST、つまり 天文学の広大な領域を変革する、それらを見るのに十分な空間と時間で遠くを覗き込むことができると考えられています。 すでに、巨大な浮体式望遠鏡は遠く離れた銀河を検出しており、その珍しい 明るさ 集団 III の星が含まれている可能性があることを示唆しています。 また、JWST で恒星の発見を競っている他の研究グループは、現在、独自のデータを分析しています。 「これは間違いなく最もホットな質問の XNUMX つです。」 マイク・ノーマンカリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学者で、コンピューター シミュレーションで星を研究しています。

決定的な発見により、天文学者は星のサイズと外観、星がいつ存在したか、原初の暗闇の中で突然光った方法を調べることができるようになります。

「これは、宇宙の歴史における最も根本的な変化の XNUMX つです」とボウラーは言いました。

人口Ⅲ

ビッグバンから約 400,000 万年後、電子、陽子、中性子が十分に安定して水素原子とヘリウム原子に結合しました。 温度が下がり続けると、暗黒物質が徐々に凝集し、原子を引き寄せました。 塊の内部では、水素とヘリウムが重力によって押しつぶされ、巨大なガスのボールに凝縮され、ボールが十分に密になると、それらの中心で核融合が突然発火しました。 最初の星が生まれました。

ドイツの天文学者ヴァルター・バーデ 分類された 私たちの銀河系の星は、1944 年に I 型と II 型に分類されました。前者には、太陽やその他の金属を多く含む星が含まれます。 後者には、より軽い元素でできた古い星が含まれています。 集団 III の星のアイデアは、数十年後に文献に登場しました。 彼らの注目を集めた1984年の論文で、英国の天体物理学者バーナード・カーは 重要な役割を説明した この元の種類の星は、初期の宇宙で活躍した可能性があります。 カーと彼の同僚は、「それらの熱または爆発が宇宙を再電離させた可能性があります」と書いています。

Carr と彼の共著者は、初期宇宙で大量の水素とヘリウムガスが利用可能であったため、星は巨大なサイズに成長し、太陽の数百倍から 100,000 倍の質量を測定した可能性があると推定しました。

範囲のより重い端にある、いわゆる超大質量星は、比較的冷たく、赤く、肥大化しており、太陽系のほぼ全体を取り囲むサイズでした。 種族 III の恒星のより密度が高く適度なサイズの変種は、表面温度が摂氏約 50,000 度で、太陽の温度がわずか 5,500 度であるのに対し、青く熱く輝いていたでしょう。

2001 年、ノーマンが率いるコンピュータ シミュレーションは次のように説明しました。 どのようにしてそのような大きな星が形成されたのか. 現在の宇宙では、ガスの雲が分裂してたくさんの小さな星になっています。 しかしシミュレーションでは、初期宇宙のガス雲は現在の雲よりもはるかに熱く、容易に凝縮できず、したがって星形成の効率が低いことが示されました。 代わりに、雲全体が単一の巨大な星に崩壊します。

それらの巨大な割合は、星が短命であることを意味し、せいぜい数百万年しか続きませんでした。 (大質量の星ほど、利用可能な燃料をより速く使い果たします。) そのため、種族 III の星は、宇宙の歴史の中で長くは続かなかったでしょう。原始ガスの最後のポケットが消散するまで、おそらく数億年かかるでしょう。

多くの不確実性があります。 これらの星は実際にどのくらいの質量になりましたか? それらは宇宙のどのくらい後に存在しましたか? そして、それらは初期の宇宙でどのくらい豊富でしたか? 「それらは、私たち自身の銀河系の星とはまったく異なる星です」とボウラーは言いました。 「それらは非常に興味深いオブジェクトです。」

それらは非常に遠く離れており、非常に短い間しか存在しなかったため、それらの証拠を見つけることは困難でした. しかし、1999 年、ボルダーにあるコロラド大学の天文学者は、星は次のようになると予測しました。 明白な署名を作成する: ヘリウム 2 からの光の特定の周波数。 この不安定な形のヘリウムは、その原子核に XNUMX つの陽子しか含んでいませんが、通常のヘリウムには XNUMX つの中性子もあります。 マンチェスター大学の天文学者であるジェームス・トラスラーは、「ヘリウムの放出は、実際には星自体の内部から発生しているわけではありません」と説明しました。 むしろ、星の熱い表面からのエネルギー光子が星を取り囲むガスに押し込まれたときに作成されました。

「これは比較的単純な予測です」と、ジュネーブ大学のダニエル・シェーラーは言いました。 2002年にアイデアを拡張. 狩りが始まった。 

最初の星を見つける

2015 年、Schaerer と彼の同僚は何かを見つけたかもしれないと考えました。 彼ら 可能性のあるヒントを検出しました 種族 III 星のグループにリンクされている可能性がある、遠く離れた原始銀河のヘリウム 2 シグネチャの。 ビッグバンから 800 億年後に出現したこの銀河は、宇宙最初の星の最初の証拠を含んでいるかのように見えました。

ボウラーが率いるその後の仕事 調査結果に異議を唱えた. 「発生源からの酸素放出の証拠を発見しました。 これにより、純粋な人口 III のシナリオは除外されました」と彼女は言いました。 その後、独立したグループ ヘリウム 2 ラインを検出できませんでした 最初のチームによって見られます。 「そこにはありませんでした」とボウラーは言いました。

他の人はうまくいくでしょうか？

天文学者 JWSTに希望を託した、2021 年 2 月に打ち上げられました。この望遠鏡は、その巨大な鏡と赤外光に対する前例のない感度を備えており、それ以前のどの望遠鏡よりも簡単に初期宇宙を覗き込むことができます。 (光がここを移動するのに時間がかかるため、望遠鏡は遠い昔に見えたかすかな遠くの物体を見ることができます。) 望遠鏡は分光法を行うこともでき、光をその構成波長に分解します。人口 III の星。

Wang のチームは、2,000 を超える JWST のターゲットの分光データを分析しました。 620つは、ビッグバンからわずか2億XNUMX万年後に出現した遠方の銀河です。 研究者によると、銀河は XNUMX つの部分に分かれています。 彼らの分析は、半分が他の元素からの光と混合されたヘリウム-XNUMXの重要な特徴を持っているように見えることを示しました。 銀河の後半部分の分光分析はまだ行われていませんが、その明るさは、Population III がより豊富な環境であることを示唆しています。

「次のサイクルで、銀河全体をカバーする JWST の観測時間を申請しようとしています。

ノーマンによれば、銀河は「頭を悩ませる」ものです。 ヘリウム 2 の結果が精査に耐えられる場合、「XNUMX つの可能性は、集団 III 星のクラスターです」と彼は言いました。 しかし、種族 III の星とそれ以降の星がそれほど容易に混ざり合うことができるかどうか、彼は確信が持てません。

ダニエル・ウォーレンポーツマス大学の天体物理学者も同様に用心深かった。 「これは間違いなく、2 つの銀河に集団 III 星と集団 II 星が混在している証拠である可能性があります」と彼は言いました。 しかし、これは宇宙の最初の星の「最初の直接的な証拠」になるが、「それは明確な証拠ではない」とWhalen氏は述べた。 ブラックホールの周りを渦巻く灼熱の物質の円盤を含む、他の高温の宇宙物体は、ヘリウム-XNUMXの同様のサインを生成することができます.

Wang は、彼のチームが、その場合に予想される特定の酸素、窒素、または電離炭素の兆候を検出しなかったため、ブラック ホールを発生源として除外できると考えています。 ただし、この作業はまだピアレビューを待っており、その場合でも、フォローアップの観察により、その潜在的な発見を確認する必要があります.

トレイルで暑い

JWST を使用している他のグループも最初の星を探しています。

ヘリウム 2 を探す以外に、2018 年にアリゾナ州立大学の天文学者 Rogier Windhorst と同僚によって提案された別の検索方法は、 重力を使う 初期宇宙の個々の星を見るために銀河の巨大なクラスターの。 銀河団のような巨大な物体を使用して、光をゆがめ、より遠くの物体を拡大する (重力レンズとして知られる技術) ことは、天文学者が遠くの銀河の景色を得る一般的な方法です。 ウィンドホルスト氏は、重い星団の端に近づいている個々の種族 III の星でさえ、「原理的にはほぼ無限に拡大される可能性があり」、視界に入る可能性があると信じていました。

Windhorst は、JWST プログラムをリードしています。 テクニックを試す. 「XNUMX 年か XNUMX 年のうちに、いくつかの現象が見られると確信しています」と彼は言いました。 「すでに何人かの候補者がいます。」 同様に、イタリアの国立天体物理学研究所の天文学者であるエロス・ヴァンツェラは、 プログラムを率いる これは、重力レンズ効果を使用して、10 個または 20 個の種族 III 星の候補の塊を研究しています。 「私たちは今、データをいじっているだけです」と彼は言いました。

そして、いくつかの興味をそそる可能性が残っています 予想外に明るい銀河 初期の宇宙で JWST によってすでに見られたそれらの明るさは、巨大な種族 III の星によるものである可能性があります。 「これらはまさに、最初の星が形成されていると予想される時代です」とバンゼラは言いました。 「私は…次の数週間または数ヶ月で、最初の星が検出されることを願っています。」