Astronomer sier de har oppdaget universets første stjerner

En gruppe astronomer som ser på data fra James Webb-romteleskopet (JWST) har sett lys fra en sjelden isotop av helium i en fjern galakse, noe som kan indikere tilstedeværelsen av universets aller første generasjon stjerner.

Disse lenge søkte, feilaktige navngitte "Population III"-stjernene ville ha vært enorme kuler av hydrogen og helium skulpturert fra universets urgass. Teoretikere begynte å forestille seg disse første ildkulene på 1970-tallet, og antok at de etter korte levetider eksploderte som supernovaer, smi tyngre grunnstoffer og spydde dem ut i kosmos. Det stjernestoffet ga senere opphav til Population II-stjerner med mer rikelig med tunge elementer, så enda rikere Population I-stjerner som solen vår, så vel som planeter, asteroider, kometer og til slutt selve livet.

"Vi eksisterer, derfor vet vi at det må ha vært en første generasjon stjerner," sa Rebecca Bowler, en astronom ved University of Manchester i Storbritannia.

Nå tror Xin Wang, en astronom ved det kinesiske vitenskapsakademiet i Beijing, og hans kolleger at de har funnet dem. "Det er virkelig surrealistisk," sa Wang. Bekreftelse er fortsatt nødvendig; lagets papir, lagt ut på preprint-serveren arxiv.org den 8. desember, venter fagfellevurdering kl Natur.

Selv om forskerne tar feil, er det kanskje ikke langt unna en mer overbevisende påvisning av de første stjernene. JWST, som er transformerer store deler av astronomi, antas å være i stand til å kikke langt nok bort i rom og tid til å se dem. Allerede har det gigantiske flytende teleskopet oppdaget fjerne galakser som er uvanlige lysstyrke antyder at de kan inneholde populasjon III-stjerner. Og andre forskergrupper som kjemper for å oppdage stjernene med JWST analyserer sine egne data nå. "Dette er absolutt et av de heteste spørsmålene," sa Mike Norman, en fysiker ved University of California, San Diego som studerer stjernene i datasimuleringer.

En definitiv oppdagelse ville tillate astronomer å begynne å undersøke stjernenes størrelse og utseende, når de eksisterte, og hvordan de plutselig lyste opp i det opprinnelige mørket.

"Det er virkelig en av de mest grunnleggende endringene i universets historie," sa Bowler.

Befolkning III

Omtrent 400,000 XNUMX år etter Big Bang la elektroner, protoner og nøytroner seg ned nok til å kombineres til hydrogen- og heliumatomer. Etter hvert som temperaturen fortsatte å synke, klumpet mørk materie seg gradvis sammen og trakk atomene med seg. Inne i klumpene ble hydrogen og helium knust av tyngdekraften, og kondenserte til enorme kuler med gass til, når kulene var tette nok, plutselig antente kjernefysisk fusjon i sentrene deres. De første stjernene ble født.

Den tyske astronomen Walter Baade kategorisert stjernene i galaksen vår inn i type I og II i 1944. Førstnevnte inkluderer vår sol og andre metallrike stjerner; sistnevnte inneholder eldre stjerner laget av lettere elementer. Ideen om Population III-stjerner kom inn i litteraturen tiår senere. I en artikkel fra 1984 som hevet deres profil, den britiske astrofysikeren Bernard Carr beskrev den viktige rollen denne originale stjernerasen kan ha spilt i det tidlige universet. "Deres varme eller eksplosjoner kunne ha reionisert universet," skrev Carr og kollegene hans, "... og deres utbytte av tunge elementer kunne ha produsert et utbrudd av pregalaktisk anrikning," som gir opphav til senere stjerner som er rikere på tyngre elementer.

Carr og hans medforfattere estimerte at stjernene kunne ha vokst til enorme størrelser, og målte hvor som helst mellom noen hundre og 100,000 XNUMX ganger mer massiv enn vår sol, på grunn av det store volumet av hydrogen og heliumgass som var tilgjengelig i det tidlige universet.

De i den tyngre enden av området, såkalte supermassive stjerner, ville vært relativt kule, røde og oppblåste, med størrelser som kunne omfatte nesten hele solsystemet vårt. Tettere varianter av populasjon III-stjerner av mer beskjeden størrelse ville ha skinnet blåvarme, med overflatetemperaturer på rundt 50,000 5,500 grader Celsius, sammenlignet med bare XNUMX grader for solen vår.

I 2001 forklarte datasimuleringer ledet av Norman hvordan så store stjerner kan dannes. I det nåværende universet fragmenteres gasskyer til mange små stjerner. Men simuleringene viste at gassskyer i det tidlige universet, som var mye varmere enn moderne skyer, ikke så lett kunne kondensere og derfor var mindre effektive ved stjernedannelse. I stedet ville hele skyer kollapse til en enkelt, gigantisk stjerne.

Deres enorme proporsjoner betydde at stjernene var kortvarige og varte maksimalt noen få millioner år. (Flere massive stjerner brenner raskere gjennom det tilgjengelige drivstoffet deres.) Som sådan ville populasjon III-stjerner ikke ha vart lenge i universets historie - kanskje noen hundre millioner år ettersom de siste lommene med urgass forsvant.

Det er mange usikkerhetsmomenter. Hvor massive ble disse stjernene egentlig? Hvor sent inn i universet eksisterte de? Og hvor mange var de i det tidlige universet? "De er helt forskjellige stjerner enn stjernene i vår egen galakse," sa Bowler. "De er bare så interessante objekter."

Fordi de er så langt unna og eksisterte så kort, har det vært en utfordring å finne bevis for dem. I 1999 spådde imidlertid astronomer ved University of Colorado, Boulder at stjernene skulle produsere en avslørende signatur: en spesifikk frekvens av lys fra helium-2. Denne ustabile formen for helium inneholder bare to protoner i kjernen, mens vanlig helium også har to nøytroner. "Heliumutslippet kommer faktisk ikke fra stjernene selv," forklarte James Trussler, en astronom ved University of Manchester; snarere ble den skapt da energiske fotoner fra stjernenes varme overflater pløyde inn i gass som omgir stjernen.

"Det er en relativt enkel spådom," sa Daniel Schaerer ved Universitetet i Genève, som utvidet ideen i 2002. Jakten var i gang. 

Finne de første stjernene

I 2015 trodde Schaerer og kollegene at de kunne ha funnet noe. De oppdaget et mulig hint av en helium-2-signatur i en fjern, primitiv galakse som kan ha vært knyttet til en gruppe Population III-stjerner. Sett slik den dukket opp 800 millioner år etter Big Bang, så galaksen ut som om den kunne inneholde de første bevisene for de første stjernene i universet.

Senere arbeid ledet av Bowler bestred funnene. "Vi fant bevis for oksygenutslipp fra kilden. Det utelukket et rent Population III-scenario, sa hun. En uavhengig gruppe da klarte ikke å oppdage helium-2-linjen sett av det første laget. "Det var ikke der," sa Bowler.

Kan andre klare seg bedre?

astronomer festet sitt håp til JWST, som ble skutt opp i desember 2021. Teleskopet, med sitt enorme speil og enestående følsomhet for infrarødt lys, kan se lettere inn i det tidlige universet enn noe teleskop før det. (Fordi lys tar tid å reise her, ser teleskopet svake, fjerne objekter slik de dukket opp for lenge siden.) Teleskopet kan også utføre spektroskopi, og bryte opp lyset i dets komponentbølgelengder, noe som lar det lete etter helium-2-kjennetegn for Populasjon III stjerner.

Wangs team analyserte spektroskopidata for mer enn 2,000 av JWSTs mål. Den ene er en fjern galakse sett slik den dukket opp bare 620 millioner år etter Big Bang. Ifølge forskerne er galaksen delt i to deler. Analysen deres viste at den ene halvdelen ser ut til å ha nøkkelsignaturen til helium-2 blandet med lys fra andre grunnstoffer, noe som potensielt peker på en hybridpopulasjon på tusenvis av populasjon III og andre stjerner. Spektroskopi av andre halvdel av galaksen har ennå ikke blitt gjort, men lysstyrken antyder et mer Populasjon III-rikt miljø.

"Vi prøver å søke om observasjonstid for JWST i neste syklus for å dekke hele galaksen," sa Wang, for å "få et skudd for å bekrefte slike objekter."

Galaksen er en "hodeskraper", ifølge Norman. Hvis helium-2-resultatene tåler gransking, sa han, "en mulighet er en klynge av Population III-stjerner." Han er imidlertid usikker på om Population III-stjerner og senere stjerner kan blandes så lett.

Daniel Whalen, en astrofysiker ved University of Portsmouth, var på samme måte forsiktig. "Det kan definitivt være bevis på en blanding av Population III- og Population II-stjerner i en galakse," sa han. Men selv om dette ville være "det første direkte beviset" på universets første stjerner, sa Whalen, "det er ikke rene bevis." Andre varme kosmiske objekter kan produsere en lignende signatur av helium-2, inkludert brennende skiver av materiale som virvler rundt sorte hull.

Wang tror teamet hans kan utelukke et sort hull som kilden fordi de ikke oppdaget spesifikke oksygen-, nitrogen- eller ionisert karbonsignaturer som ville være forventet i så fall. Arbeidet venter imidlertid fortsatt på fagfellevurdering, og selv da vil oppfølgingsobservasjoner måtte bekrefte dets potensielle funn.

Hot on the Trail

Andre grupper som bruker JWST jakter også på de første stjernene.

I tillegg til å lete etter helium-2, er en annen søkemetode, foreslått av astronomen Rogier Windhorst fra Arizona State University og kolleger i 2018, å bruk tyngdekraften av gigantiske klynger av galakser for å se individuelle stjerner i det tidlige universet. Å bruke et massivt objekt som en klynge til å forvrenge lys og forstørre objekter som ligger langt unna (en teknikk kjent som gravitasjonslinser) er en vanlig måte astronomer får utsikt over fjerne galakser på. Windhorst mente at selv individuelle Population III-stjerner som nærmet seg kanten av en tung klynge "i prinsippet kunne gjennomgå nesten uendelig forstørrelse" og komme til syne, sa han.

Windhorst leder et JWST-program altså prøver teknikken. "Jeg er ganske sikker på at om et år eller to vil vi ha sett noen," sa han. – Vi har allerede noen kandidater. Tilsvarende er Eros Vanzella, en astronom ved National Institute for Astrophysics i Italia, lede et program som studerer en klump med 10 eller 20 kandidatpopulasjon III-stjerner ved hjelp av gravitasjonslinser. "Vi leker bare med dataene nå," sa han.

Og det gjenstår den fristende muligheten for at noen av de uventet lyse galakser som allerede ble sett av JWST i det tidlige universet, kan skylde sin lysstyrke til massive Population III-stjerner. "Dette er akkurat epokene der vi forventer at de første stjernene dannes," sa Vanzella. "Jeg håper … at i løpet av de neste ukene eller månedene vil de første stjernene bli oppdaget."