Astronomii spun că au văzut primele stele ale Universului

Un grup de astronomi care studiază datele de la telescopul spațial James Webb (JWST) a întrezărit lumină dintr-un izotop rar de heliu într-o galaxie îndepărtată, ceea ce ar putea indica prezența primei generații de stele din univers.

Aceste stele îndelung căutate, numite nepotrivit „Populația III” ar fi fost bile imense de hidrogen și heliu sculptate din gazul primordial al universului. Teoreticienii au început să-și imagineze aceste prime bile de foc în anii 1970, emițând ipoteza că, după scurte vieți, au explodat ca supernove, forjând elemente mai grele și aruncându-le în cosmos. Mai târziu, acele stele au dat naștere stelelor din populația II mai abundente în elemente grele, apoi și mai bogate stele din populația I, cum ar fi soarele nostru, precum și planete, asteroizi, comete și în cele din urmă viața însăși.

„Existăm, așa că știm că trebuie să fi existat o primă generație de stele”, a spus Rebecca Bowler, astronom la Universitatea din Manchester din Regatul Unit.

Acum Xin Wang, un astronom la Academia Chineză de Științe din Beijing, și colegii săi cred că le-au găsit. „Este cu adevărat suprarealist”, a spus Wang. Mai este nevoie de confirmare; hârtia echipei, postat pe serverul de preprint arxiv.org pe 8 decembrie, așteaptă evaluarea inter pares la Natură.

Chiar dacă cercetătorii greșesc, o detectare mai convingătoare a primelor stele s-ar putea să nu fie departe. JWST, care este transformând zone vaste de astronomie, este considerat capabil să privească destul de departe în spațiu și timp pentru a le vedea. Deja, giganticul telescop plutitor a detectat galaxii îndepărtate ale căror neobișnuite strălucire sugerează că ar putea conține stele din populația III. Și alte grupuri de cercetare care luptă pentru a descoperi stelele cu JWST își analizează acum propriile date. „Aceasta este absolut una dintre cele mai fierbinți întrebări”, a spus Mike Norman, un fizician la Universitatea din California, San Diego, care studiază stelele prin simulări computerizate.

O descoperire definitivă ar permite astronomilor să înceapă să cerceteze dimensiunea și aspectul stelelor, când au existat și cum, în întunericul primordial, s-au luminat brusc.

„Este într-adevăr una dintre cele mai fundamentale schimbări din istoria universului”, a spus Bowler.

Populația III

La aproximativ 400,000 de ani după Big Bang, electronii, protonii și neutronii s-au așezat suficient pentru a se combina în atomi de hidrogen și heliu. Pe măsură ce temperatura continua să scadă, materia întunecată s-a aglomerat treptat, trăgând cu ea atomii. În interiorul aglomerărilor, hidrogenul și heliul au fost striviți de gravitație, condensându-se în bile enorme de gaz până când, odată ce bilele au fost suficient de dense, fuziunea nucleară s-a aprins brusc în centrele lor. S-au născut primele vedete.

Astronomul german Walter Baade clasificate stelele din galaxia noastră în tipurile I și II în 1944. Prima include soarele nostru și alte stele bogate în metale; acesta din urmă conține stele mai vechi formate din elemente mai ușoare. Ideea vedetelor din Populația III a intrat în literatură zeci de ani mai târziu. Într-o lucrare din 1984 care le-a ridicat profilul, astrofizicianul britanic Bernard Carr a descris rolul vital este posibil ca această rasă originală de stele să fi jucat în universul timpuriu. „Căldura sau exploziile lor ar fi putut reioniza universul”, au scris Carr și colegii săi, „… iar randamentul lor în elemente grele ar fi putut produce o explozie de îmbogățire pregalactică”, dând naștere unor stele ulterioare mai bogate în elemente mai grele.

Carr și co-autorii săi au estimat că stelele ar fi putut crește la dimensiuni imense, măsurând oriunde între câteva sute și 100,000 de ori mai masive decât soarele nostru, din cauza volumului mare de hidrogen și heliu gazos disponibil în universul timpuriu.

Cele de la capătul mai greu al gamei, așa-numitele stele supermasive, ar fi fost relativ reci, roșii și umflate, cu dimensiuni care ar putea cuprinde aproape întregul nostru sistem solar. Variante mai dense, de dimensiuni mai modeste ale stelelor din populația III ar fi strălucit albastru fierbinte, cu temperaturi la suprafață de aproximativ 50,000 de grade Celsius, comparativ cu doar 5,500 de grade pentru soarele nostru.

În 2001, simulările computerizate conduse de Norman au explicat cum s-ar putea forma stele atât de mari. În universul actual, norii de gaz se fragmentează în o mulțime de stele mici. Dar simulările au arătat că norii de gaz din universul timpuriu, fiind mult mai fierbinți decât norii moderni, nu se puteau condensa la fel de ușor și, prin urmare, erau mai puțin eficienți la formarea stelelor. În schimb, nori întregi s-ar prăbuși într-o singură stea gigantică.

Proporțiile lor imense au însemnat că stelele au fost de scurtă durată, durand cel mult câteva milioane de ani. (Stele mai masive ard prin combustibilul disponibil mai repede.) Ca atare, stelele din populația III nu ar fi rezistat mult timp în istoria universului – poate câteva sute de milioane de ani când ultimele pungi de gaz primordial s-au disipat.

Sunt multe incertitudini. Cât de masive au devenit cu adevărat aceste stele? Cât de târziu au existat în univers? Și cât de abundente erau în universul timpuriu? „Sunt stele complet diferite de stelele din propria noastră galaxie”, a spus Bowler. „Sunt doar obiecte atât de interesante.”

Pentru că sunt atât de departe și au existat atât de scurt, găsirea dovezilor pentru ei a fost o provocare. Cu toate acestea, în 1999, astronomii de la Universitatea din Colorado, Boulder au prezis că stelele ar trebui produce o semnătură revelatoare: o frecvență specifică a luminii de la heliu-2. Această formă instabilă de heliu conține doar doi protoni în nucleul său, în timp ce heliul obișnuit are și doi neutroni. „Emisia de heliu nu provine de fapt din interiorul stelelor în sine”, a explicat James Trussler, astronom la Universitatea din Manchester; mai degrabă, a fost creat atunci când fotonii energetici de pe suprafețele fierbinți ale stelelor s-au transformat în gazul din jurul stelei.

„Este o predicție relativ simplă”, a spus Daniel Schaerer de la Universitatea din Geneva, care a extins ideea în 2002. Vânătoarea a început. 

Găsirea Primelor Stele

În 2015, Schaerer și colegii săi au crezut că ar fi găsit ceva. ei a detectat un posibil indiciu a unei semnături de heliu-2 într-o galaxie îndepărtată, primitivă, care ar fi putut fi legată de un grup de stele din populația III. Văzută așa cum a apărut la 800 de milioane de ani după Big Bang, galaxia părea că ar putea conține primele dovezi ale primelor stele din univers.

Lucrări ulterioare conduse de Bowler a contestat constatările. „Am găsit dovezi pentru emisia de oxigen de la sursă. Acest lucru a exclus un scenariu pur Populația III”, a spus ea. Un grup independent atunci nu a reușit să detecteze linia de heliu-2 văzut de echipa inițială. — Nu era acolo, spuse Bowler.

Ar putea alții să se descurce mai bine?

astronomii și-au pus speranțele pe JWST, care a fost lansat în decembrie 2021. Telescopul, cu oglinda sa enormă și sensibilitatea fără precedent la lumina infraroșie, poate privi mai ușor în universul timpuriu decât orice telescop dinaintea lui. (Deoarece lumina necesită timp să călătorească aici, telescopul vede obiecte slabe, îndepărtate, așa cum au apărut cu mult timp în urmă.) Telescopul poate face și spectroscopie, descompunând lumina în lungimile de undă componente, ceea ce îi permite să caute semnul distinctiv al heliului-2. Stele din populația III.

Echipa lui Wang a analizat datele de spectroscopie pentru mai mult de 2,000 de ținte ale JWST. Una este o galaxie îndepărtată văzută așa cum a apărut la doar 620 de milioane de ani după Big Bang. Potrivit cercetătorilor, galaxia este împărțită în două bucăți. Analiza lor a arătat că jumătate pare să aibă semnătura cheie a heliului-2 amestecată cu lumina din alte elemente, indicând potențial o populație hibridă de mii de populație III și alte stele. Spectroscopia celei de-a doua jumătăți a galaxiei nu a fost încă făcută, dar luminozitatea ei sugerează un mediu mai bogat în populația III.

„Încercăm să solicităm timp de observare pentru JWST în următorul ciclu, pentru a acoperi întreaga galaxie”, a spus Wang, pentru a „avea o șansă de a confirma astfel de obiecte”.

Galaxia este o „zgârie cap”, conform lui Norman. Dacă rezultatele cu heliu-2 rezistă examinării, a spus el, „o posibilitate este un grup de stele din populația III”. Cu toate acestea, nu este sigur dacă stelele din Populația III și stelele ulterioare s-ar putea amesteca atât de ușor.

Daniel Whalen, un astrofizician la Universitatea din Portsmouth, a fost la fel de precaut. „Cu siguranță ar putea fi dovada unui amestec de stele din populația III și populația II într-o galaxie”, a spus el. Cu toate acestea, deși aceasta ar fi „prima dovadă directă” a primelor stele ale universului, a spus Whalen, „nu sunt dovezi clare”. Alte obiecte cosmice fierbinți pot produce o semnătură similară a heliului-2, inclusiv discuri arzătoare de material care se rotesc în jurul găurilor negre.

Wang crede că echipa sa poate exclude o gaură neagră ca sursă, deoarece nu au detectat semnături specifice de oxigen, azot sau carbon ionizat care ar fi de așteptat în acest caz. Cu toate acestea, munca încă așteaptă o evaluare inter pares și chiar și atunci, observațiile ulterioare vor trebui să confirme potențialele sale constatări.

Fierbinte pe traseu

Alte grupuri care folosesc JWST caută, de asemenea, primele stele.

Pe lângă căutarea heliului-2, o altă metodă de căutare, propusă de astronomul Rogier Windhorst de la Universitatea de Stat din Arizona și colegii săi în 2018, este să folosiți gravitația de grupuri gigantice de galaxii pentru a vedea stele individuale din universul timpuriu. Utilizarea unui obiect masiv, cum ar fi un cluster, pentru a deforma lumina și a mări obiecte mai îndepărtate (o tehnică cunoscută sub numele de lentilă gravitațională) este o modalitate comună în care astronomii obțin vederi ale galaxiilor îndepărtate. Windhorst credea că chiar și stelele individuale ale populației III care se apropie de marginea unui cluster greu „ar putea, în principiu, să sufere o mărire aproape infinită” și să apară la vedere, a spus el.

Windhorst conduce un program JWST care este încercând tehnica. „Sunt destul de încrezător că peste un an sau doi vom fi văzut câteva”, a spus el. „Avem deja câțiva candidați.” În mod similar, Eros Vanzella, astronom la Institutul Național de Astrofizică din Italia, este conducerea unui program adică studierea unui grup de 10 sau 20 de stele candidate din populația III folosind lentile gravitaționale. „Ne jucăm doar cu datele acum”, a spus el.

Și rămâne posibilitatea tentantă ca unii dintre galaxii neașteptat de luminoase deja văzute de JWST în universul timpuriu ar putea datora luminozitatea stelelor masive din populația III. „Acestea sunt exact epocile în care ne așteptăm să se formeze primele stele”, a spus Vanzella. „Sper... că în următoarele săptămâni sau luni vor fi detectate primele stele.”