Astronomowie twierdzą, że dostrzegli pierwsze gwiazdy Wszechświata

Grupa astronomów studiujących dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) dostrzegła światło rzadkiego izotopu helu w odległej galaktyce, co może wskazywać na obecność gwiazd pierwszej generacji we wszechświecie.

Te długo poszukiwane, nietrafnie nazwane gwiazdy „populacji III” byłyby gigantycznymi kulami wodoru i helu wyrzeźbionymi z pierwotnego gazu wszechświata. Teoretycy zaczęli wyobrażać sobie te pierwsze kule ognia w latach 1970. XX wieku, wysuwając hipotezę, że po krótkim życiu eksplodują jako supernowe, tworząc cięższe pierwiastki i wypluwając je w kosmos. Ta materia gwiezdna dała później początek gwiazdom II populacji obfitującym w ciężkie pierwiastki, a następnie jeszcze bogatszym gwiazdom I populacji, takim jak nasze Słońce, a także planetom, asteroidom, kometom i ostatecznie samemu życiu.

„Istniejemy, więc wiemy, że musiała istnieć pierwsza generacja gwiazd” – powiedział Rebeka Bowler, astronom z University of Manchester w Wielkiej Brytanii.

Teraz Xin Wang, astronom z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie i jego koledzy myślą, że ich znaleźli. „To naprawdę surrealistyczne” — powiedział Wang. Nadal potrzebne jest potwierdzenie; dokument zespołu, opublikowane na serwerze preprint arxiv.org 8 grudnia oczekuje na recenzję o godz Natura.

Nawet jeśli naukowcy się mylą, bardziej przekonujące wykrycie pierwszych gwiazd może nie być dalekie. JWST, czyli tzw przekształcając ogromne połacie astronomii, uważa się, że jest w stanie zajrzeć wystarczająco daleko w czasie i przestrzeni, aby je zobaczyć. Już teraz gigantyczny pływający teleskop wykrył odległe galaktyki, których nietypowość jasność sugeruje, że mogą zawierać gwiazdy III populacji. Inne grupy badawcze walczące o odkrycie gwiazd za pomocą JWST analizują teraz własne dane. „To absolutnie jedno z najgorętszych pytań”, powiedział Mike'a Normana, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, który bada gwiazdy w symulacjach komputerowych.

Ostateczne odkrycie pozwoliłoby astronomom zacząć badać rozmiar i wygląd gwiazd, kiedy istniały i jak w pierwotnej ciemności nagle się rozjaśniły.

„To naprawdę jedna z najbardziej fundamentalnych zmian w historii wszechświata” — powiedział Bowler.

Populacja III

Około 400,000 XNUMX lat po Wielkim Wybuchu elektrony, protony i neutrony osiadły na tyle, by połączyć się w atomy wodoru i helu. W miarę jak temperatura spadała, ciemna materia stopniowo gromadziła się, ciągnąc za sobą atomy. Wewnątrz grudek wodór i hel zostały zgniecione przez grawitację, skraplając się w ogromne kule gazu, aż gdy kule były wystarczająco gęste, w ich centrach nagle wybuchła fuzja jądrowa. Narodziły się pierwsze gwiazdy.

Niemiecki astronom Walter Baade skategoryzowane gwiazdy w naszej galaktyce na typy I i II w 1944 r. Pierwsza obejmuje nasze Słońce i inne gwiazdy bogate w metale; ta ostatnia zawiera starsze gwiazdy zbudowane z lżejszych pierwiastków. Idea gwiazd populacji III pojawiła się w literaturze kilkadziesiąt lat później. W artykule z 1984 roku, który podniósł ich rangę, brytyjski astrofizyk Bernard Carr opisał kluczową rolę ta oryginalna rasa gwiazd mogła grać we wczesnym wszechświecie. „Ich ciepło lub eksplozje mogły doprowadzić do rejonizacji wszechświata” — napisali Carr i jego współpracownicy — „… a ich wydatek pierwiastków ciężkich mógł spowodować wybuch przedgalaktycznego wzbogacenia”, dając początek późniejszym gwiazdom bogatszym w cięższe pierwiastki.

Carr i jego współautorzy oszacowali, że gwiazdy mogły urosnąć do ogromnych rozmiarów, mierząc od kilkuset do 100,000 XNUMX razy masywniejszych niż nasze Słońce, z powodu dużej ilości wodoru i helu dostępnego we wczesnym wszechświecie.

Te z cięższego końca zakresu, tak zwane gwiazdy supermasywne, byłyby stosunkowo chłodne, czerwone i nabrzmiałe, a ich rozmiary mogłyby obejmować prawie cały nasz Układ Słoneczny. Gęstsze, skromniejsze warianty gwiazd z populacji III świeciłyby na niebiesko, z temperaturami powierzchni około 50,000 5,500 stopni Celsjusza, w porównaniu do zaledwie XNUMX stopni dla naszego Słońca.

W 2001 roku wyjaśniły to symulacje komputerowe prowadzone przez Normana jak mogły powstać tak duże gwiazdy. W obecnym wszechświecie obłoki gazu dzielą się na wiele małych gwiazd. Symulacje wykazały jednak, że obłoki gazu we wczesnym Wszechświecie, które były znacznie gorętsze niż współczesne, nie mogły się tak łatwo kondensować, a zatem były mniej wydajne w formowaniu gwiazd. Zamiast tego całe chmury zapadłyby się w pojedynczą, gigantyczną gwiazdę.

Ich ogromne rozmiary oznaczały, że gwiazdy żyły krótko, najwyżej kilka milionów lat. (Gwiazdy o większej masie szybciej zużywają dostępne paliwo.) W związku z tym gwiazdy z populacji III nie przetrwałyby długo w historii wszechświata — być może kilkaset milionów lat, gdy rozproszyły się ostatnie skupiska pierwotnego gazu.

Jest wiele niejasności. Jak masywne stały się te gwiazdy? Jak późno we wszechświecie istniały? I jak obfite były we wczesnym wszechświecie? „Są to zupełnie inne gwiazdy niż gwiazdy w naszej galaktyce” — powiedział Bowler. „To po prostu takie interesujące obiekty”.

Ponieważ są tak daleko i istniały tak krótko, znalezienie dowodów na ich istnienie było wyzwaniem. Jednak w 1999 roku astronomowie z University of Colorado Boulder przewidzieli, że gwiazdy powinny sporządzić charakterystyczny podpis: określona częstotliwość światła z helu-2. Ta niestabilna forma helu zawiera w swoim jądrze tylko dwa protony, podczas gdy zwykły hel ma również dwa neutrony. „Emisja helu w rzeczywistości nie pochodzi z samych gwiazd” – wyjaśnił James Trussler, astronom z Uniwersytetu w Manchesterze; powstał raczej, gdy energetyczne fotony z gorących powierzchni gwiazd wbiły się w gaz otaczający gwiazdę.

„To stosunkowo prosta prognoza” — powiedział Daniel Schaerer z Uniwersytetu Genewskiego, który rozwinął ten pomysł w 2002 roku. Trwało polowanie. 

Znalezienie pierwszych gwiazd

W 2015 roku Schaerer i jego współpracownicy myśleli, że coś znaleźli. Oni wykrył możliwą wskazówkę sygnatury helu-2 w odległej, prymitywnej galaktyce, która mogła być powiązana z grupą gwiazd III populacji. Galaktyka widziana 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu wyglądała tak, jakby mogła zawierać pierwsze dowody na istnienie pierwszych gwiazd we wszechświecie.

Późniejsza praca prowadzona przez Bowlera zakwestionował ustalenia. „Znaleźliśmy dowody na emisję tlenu ze źródła. To wykluczyło scenariusz czystej populacji III” – powiedziała. W takim razie niezależna grupa nie wykrył linii helu-2 widziany przez pierwszy zespół. – Nie było go tam – powiedział Bowler.

Czy innym może być lepiej?

Astronomowie wiązali swoje nadzieje z JWST, który został wystrzelony w grudniu 2021 r. Teleskop dzięki swemu ogromnemu zwierciadłu i niespotykanej dotąd czułości na światło podczerwone może łatwiej zajrzeć do wczesnego Wszechświata niż jakikolwiek inny teleskop przed nim. (Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby przebyć tę drogę, teleskop widzi słabe, odległe obiekty tak, jak wyglądały dawno temu). Teleskop może również wykonywać spektroskopię, rozbijając światło na składowe długości fal, co pozwala mu szukać helu-2, cechy charakterystycznej Gwiazdy populacji III.

Zespół Wanga przeanalizował dane spektroskopowe dla ponad 2,000 celów JWST. Jedna z nich to odległa galaktyka widoczna tak, jak wyglądała zaledwie 620 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Według naukowców galaktyka jest podzielona na dwie części. Ich analiza wykazała, że ​​wydaje się, że w jednej połowie kluczową sygnaturę stanowi hel-2 zmieszany ze światłem innych pierwiastków, co potencjalnie wskazuje na hybrydową populację tysięcy Populacji III i innych gwiazd. Spektroskopia drugiej połowy galaktyki nie została jeszcze wykonana, ale jej jasność wskazuje na środowisko bardziej bogate w Populację III.

„Próbujemy ubiegać się o czas obserwacyjny dla JWST w następnym cyklu, aby objąć całą galaktykę”, powiedział Wang, aby „mieć szansę potwierdzenia takich obiektów”.

Według Normana galaktyka „drapa po głowie”. Jeśli wyniki badania helu-2 zostaną poddane analizie, powiedział, „jedną z możliwości jest gromada gwiazd III populacji”. Nie jest jednak pewien, czy gwiazdy III populacji i późniejsze gwiazdy mogłyby tak łatwo się ze sobą mieszać.

Daniela Whalena, astrofizyk z Uniwersytetu w Portsmouth, był podobnie ostrożny. „Zdecydowanie może to świadczyć o mieszance gwiazd III i II populacji w jednej galaktyce” – powiedział. Jednak chociaż byłby to „pierwszy bezpośredni dowód” na istnienie pierwszych gwiazd we wszechświecie, Whalen powiedział, że „nie jest to czysty dowód”. Inne gorące obiekty kosmiczne mogą wytwarzać podobną sygnaturę helu-2, w tym palące dyski materii wirujące wokół czarnych dziur.

Wang uważa, że ​​jego zespół może wykluczyć czarną dziurę jako źródło, ponieważ nie wykryli określonych sygnatur tlenu, azotu ani zjonizowanego węgla, których można by się spodziewać w takim przypadku. Jednak praca wciąż czeka na recenzję, a nawet wtedy dalsze obserwacje będą musiały potwierdzić jej potencjalne ustalenia.

Gorąco na szlaku

Inne grupy korzystające z JWST również polują na pierwsze gwiazdy.

Oprócz poszukiwania helu-2 inną metodą poszukiwań zaproponowaną przez astronoma Rogiera Windhorsta z Arizona State University i współpracowników w 2018 roku jest użyj grawitacji gigantycznych gromad galaktyk, aby zobaczyć pojedyncze gwiazdy we wczesnym Wszechświecie. Używanie masywnego obiektu, takiego jak gromada, do wypaczania światła i powiększania bardziej odległych obiektów (technika znana jako soczewkowanie grawitacyjne) jest powszechnym sposobem, w jaki astronomowie uzyskują widoki odległych galaktyk. Windhorst uważał, że nawet pojedyncze gwiazdy Populacji III zbliżające się do krawędzi ciężkiej gromady „mogą w zasadzie ulec prawie nieskończonemu powiększeniu” i wyskoczyć na pole widzenia, powiedział.

Windhorst prowadzi program JWST próba techniki. „Jestem prawie pewien, że za rok lub dwa będziemy je widzieć” – powiedział. "Mamy już kilku kandydatów" Podobnie Eros Vanzella, astronom z Narodowego Instytutu Astrofizyki we Włoszech prowadzenie programu to badanie skupiska 10 lub 20 kandydatów na gwiazdy III populacji za pomocą soczewkowania grawitacyjnego. „Teraz po prostu bawimy się danymi” – powiedział.

I pozostaje kusząca możliwość, że niektóre z nich niespodziewanie jasne galaktyki obserwowane już przez JWST we wczesnym wszechświecie, mogły zawdzięczać swoją jasność masywnym gwiazdom III populacji. „Są to dokładnie epoki, w których spodziewamy się formowania pierwszych gwiazd” – powiedział Vanzella. „Mam nadzieję… że w ciągu najbliższych tygodni lub miesięcy zostaną wykryte pierwsze gwiazdy”.