Astronomii spun că au văzut primele stele ale Universului

A group of astronomers poring over data from the James Webb Space Telescope (JWST) has glimpsed light from a rare isotope of helium in a distant galaxy, which could indicate the presence of the universe’s very first generation of stars.

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: a specific frequency of light from helium-2. This unstable form of helium only contains two protons in its nucleus, while regular helium also has two neutrons. “The helium emission is not actually originating from within the stars themselves,” explained James Trussler, an astronomer at the University of Manchester; rather, it was created when energetic photons from the stars’ hot surfaces plowed into gas surrounding the star.

„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 of a helium-2 signature in a distant, primitive galaxy that might have been linked to a group of Population III stars. Seen as it appeared 800 million years after the Big Bang, the galaxy looked as if it might contain the first evidence of the first stars in the universe.

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 failed to detect the helium-2 line văzut de echipa inițială. — Nu era acolo, spuse Bowler.

Ar putea alții să se descurce mai bine?

astronomii și-au pus speranțele pe JWST, which launched in December 2021. The telescope, with its enormous mirror and unprecedented sensitivity to infrared light, can peer more easily into the early universe than any telescope before it. (Because light takes time to travel here, the telescope sees faint, faraway objects as they appeared long ago.) The telescope can also do spectroscopy, breaking up light into its component wavelengths, which allows it to look for the helium-2 hallmark of Population III stars.

Wang’s team analyzed spectroscopy data for more than 2,000 of JWST’s targets. One is a distant galaxy seen as it appeared just 620 million years after the Big Bang. According to the researchers, the galaxy is split into two pieces. Their analysis showed that one half seems to have the key signature of helium-2 mixed with light from other elements, potentially pointing to a hybrid population of thousands of Population III and other stars. Spectroscopy of the second half of the galaxy has yet to be done, but its brightness hints at a more Population III-rich environment.

„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”.

The galaxy is a “head-scratcher,” according to Norman. If the helium-2 results stand up to scrutiny, he said, “one possibility is a cluster of Population III stars.” However, he’s unsure if Population III stars and later stars could mix together so readily.

Daniel Whalen, an astrophysicist at the University of Portsmouth, was similarly cautious. “It definitely could be evidence of a mixture of Population III and Population II stars in one galaxy,” he said. However, although this would be “the first direct evidence” of the universe’s first stars, Whalen said, “it’s not clean evidence.” Other piping hot cosmic objects can produce a similar signature of helium-2, including scorching disks of material that swirl around black holes.

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.

Besides looking for helium-2, another search method, proposed by the astronomer Rogier Windhorst of Arizona State University and colleagues in 2018, is to 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.”