Астрономы заявили, что обнаружили первые звезды во Вселенной

Группа астрономов, изучающая данные космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), заметила свет от редкого изотопа гелия в далекой галактике, что может указывать на присутствие во Вселенной самого первого поколения звезд.

Эти давно разыскиваемые звезды, получившие неудачное название «Население III», были бы огромными шарами водорода и гелия, вылепленными из первичного газа Вселенной. Теоретики начали представлять себе эти первые огненные шары в 1970-х годах, предполагая, что после короткого времени жизни они взорвались как сверхновые звезды, образовав более тяжелые элементы и извергнув их в космос. Позднее это звездное вещество породило звезды населения II, более богатые тяжелыми элементами, затем еще более богатые звезды населения I, такие как наше Солнце, а также планеты, астероиды, кометы и, в конечном итоге, саму жизнь.

«Мы существуем, поэтому мы знаем, что должно было быть первое поколение звезд», — сказал он. Ребекка Боулер, астроном из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве.

Теперь Синь Ван, астроном Китайской академии наук в Пекине, и его коллеги думают, что нашли их. «Это действительно сюрреалистично, — сказал Ван. Подтверждение все еще необходимо; газета команды, размещен на сервере препринтов arxiv.org 8 декабря, ожидает экспертной оценки в природа.

Даже если исследователи ошибаются, более убедительное обнаружение первых звезд может быть не за горами. JWST, который трансформируя обширные области астрономии, считается способным заглянуть достаточно далеко в пространство и время, чтобы увидеть их. Гигантский плавучий телескоп уже обнаружил далекие галактики, чьи необычные яркость предполагает, что они могут содержать звезды населения III. И другие исследовательские группы, борющиеся за открытие звезд с помощью JWST, сейчас анализируют свои собственные данные. «Это абсолютно один из самых горячих вопросов», — сказал Майк Норман, физик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, изучающий звезды с помощью компьютерного моделирования.

Окончательное открытие позволило бы астрономам начать исследовать размер и внешний вид звезд, когда они существовали и как в изначальной тьме они внезапно загорались.

«Это действительно одно из самых фундаментальных изменений в истории Вселенной, — сказал Боулер.

Население III

Примерно через 400,000 XNUMX лет после Большого взрыва электроны, протоны и нейтроны осели достаточно, чтобы объединиться в атомы водорода и гелия. По мере того как температура продолжала падать, темная материя постепенно скапливалась, увлекая за собой атомы. Внутри сгустков водород и гелий сжимались под действием силы тяжести, конденсируясь в огромные газовые шары, пока, как только шары не стали достаточно плотными, в их центрах внезапно не загорелся ядерный синтез. Родились первые звезды.

Немецкий астроном Вальтер Бааде категории звезды в нашей галактике в 1944 году разделили на типы I и II. Первый включает наше Солнце и другие звезды, богатые металлами; последний содержит более старые звезды, состоящие из более легких элементов. Идея звезд населения III вошла в литературу спустя десятилетия. В статье 1984 года, поднявшей их авторитет, британский астрофизик Бернард Карр описал жизненно важную роль эта оригинальная порода звезд, возможно, играла роль в ранней Вселенной. «Их тепло или взрывы могли повторно ионизировать Вселенную, — писали Карр и его коллеги, — … а их выход тяжелых элементов мог вызвать всплеск догалактического обогащения», что привело к появлению более поздних звезд, более богатых тяжелыми элементами.

Карр и его соавторы подсчитали, что звезды могли вырасти до огромных размеров, где-то от нескольких сотен до 100,000 XNUMX раз массивнее нашего Солнца, из-за большого объема газообразного водорода и гелия, доступного в ранней Вселенной.

Те, что находятся в более тяжелом конце диапазона, так называемые сверхмассивные звезды, были бы относительно холодными, красными и раздутыми, а их размеры могли бы охватить почти всю нашу солнечную систему. Более плотные, более скромные по размеру варианты звезд Населения III сияли бы голубым пламенем с температурой поверхности около 50,000 5,500 градусов по Цельсию, по сравнению с XNUMX XNUMX градусами для нашего Солнца.

В 2001 году компьютерное моделирование под руководством Нормана объяснило как могли образоваться такие большие звезды. В современной Вселенной газовые облака распадаются на множество маленьких звезд. Но моделирование показало, что газовые облака в ранней Вселенной, будучи намного более горячими, чем современные облака, не могли так легко конденсироваться и, следовательно, были менее эффективны при звездообразовании. Вместо этого целые облака схлопнутся в одну гигантскую звезду.

Их огромные размеры означали, что звезды были недолговечными, максимум несколько миллионов лет. (Более массивные звезды сжигают имеющееся у них топливо быстрее.) Таким образом, звезды населения III не просуществовали бы долго в истории Вселенной — возможно, несколько сотен миллионов лет, когда рассеялись последние очаги первичного газа.

Есть много неопределенностей. Насколько массивными на самом деле стали эти звезды? Как давно во вселенной они появились? И насколько их было много в ранней Вселенной? «Это совершенно разные звезды по сравнению со звездами в нашей собственной галактике», — сказал Боулер. «Это такие интересные объекты».

Поскольку они так далеко и существовали так недолго, найти доказательства их существования было непросто. Однако в 1999 году астрономы из Колорадского университета в Боулдере предсказали, что звезды должны сделать контрольную подпись: определенная частота света от гелия-2. Эта нестабильная форма гелия содержит только два протона в ядре, в то время как обычный гелий также имеет два нейтрона. «Излучение гелия на самом деле не исходит из самих звезд», — объяснил Джеймс Трасслер, астроном из Манчестерского университета; скорее, он был создан, когда энергичные фотоны с горячих поверхностей звезд врезались в газ, окружающий звезду.

«Это относительно простое предсказание, — сказал Даниэль Шерер из Женевского университета, который расширил идею в 2002 г.. Охота была начата. 

В поисках первых звезд

В 2015 году Шерер и его коллеги думали, что, возможно, что-то нашли. Они обнаружен возможный намек сигнатуры гелия-2 в далекой примитивной галактике, которая могла быть связана с группой звезд населения III. В том виде, в каком она появилась через 800 миллионов лет после Большого взрыва, галактика выглядела так, как будто она может содержать первые свидетельства существования первых звезд во Вселенной.

Более поздняя работа под руководством Боулера оспаривал выводы. «Мы нашли доказательства выброса кислорода из источника. Это исключает сценарий чистой популяции III», — сказала она. Тогда независимая группа не удалось обнаружить линию гелия-2 увидела первоначальная команда. «Его там не было, — сказал Боулер.

Могут ли другие жить лучше?

Астрономы возлагали надежды на JWST, который был запущен в декабре 2021 года. Телескоп с его огромным зеркалом и беспрецедентной чувствительностью к инфракрасному свету может легче заглянуть в раннюю Вселенную, чем любой другой телескоп до него. (Поскольку свету требуется время, чтобы пройти сюда, телескоп видит слабые, далекие объекты такими, какими они были давным-давно.) Телескоп также может проводить спектроскопию, разбивая свет на составляющие его длины волны, что позволяет ему искать отличительный признак гелия-2 Звезды населения III.

Команда Вана проанализировала данные спектроскопии для более чем 2,000 целей JWST. Одна из них — далекая галактика, которая появилась всего через 620 миллионов лет после Большого взрыва. По мнению исследователей, галактика раскололась на две части. Их анализ показал, что одна половина, по-видимому, имеет ключевую характеристику гелия-2, смешанного со светом от других элементов, что потенциально указывает на гибридную популяцию из тысяч звезд Населения III и других звезд. Спектроскопию второй половины галактики еще предстоит провести, но ее яркость намекает на более богатое населением III окружение.

«Мы пытаемся подать заявку на время наблюдения для JWST в следующем цикле, чтобы охватить всю галактику», — сказал Ван, чтобы «иметь возможность подтвердить такие объекты».

По словам Нормана, галактика — это «головная боль». По его словам, если результаты исследования гелия-2 выдержат проверку, «одна из возможностей — это скопление звезд населения III». Однако он не уверен, что звезды Населения III и более поздние звезды могут так легко смешиваться друг с другом.

Дэниел Уэлен, астрофизик из Портсмутского университета, был так же осторожен. «Это определенно может быть свидетельством смешения звезд населения III и населения II в одной галактике», — сказал он. Однако, хотя это будет «первое прямое свидетельство» существования первых звезд во Вселенной, Уэйлен сказал, что «это не чистое доказательство». Аналогичные признаки гелия-2 могут создавать и другие раскаленные космические объекты, в том числе раскаленные диски материала, вращающиеся вокруг черных дыр.

Ван считает, что его команда может исключить черную дыру как источник, потому что они не обнаружили специфических сигнатур кислорода, азота или ионизированного углерода, которые можно было бы ожидать в этом случае. Тем не менее, работа все еще ожидает экспертной оценки, и даже в этом случае для подтверждения ее потенциальных выводов потребуются последующие наблюдения.

По горячим следам

Другие группы, использующие JWST, также охотятся за первыми звездами.

Помимо поиска гелия-2, еще один метод поиска, предложенный астрономом Рогиром Виндхорстом из Университета штата Аризона и его коллегами в 2018 году, заключается в том, чтобы использовать гравитацию гигантских скоплений галактик, чтобы увидеть отдельные звезды в ранней Вселенной. Использование массивного объекта, такого как скопление, для искажения света и увеличения более удаленных объектов (метод, известный как гравитационное линзирование) — это обычный способ, которым астрономы получают изображения далеких галактик. Виндхорст считал, что даже отдельные звезды населения III, приближающиеся к краю тяжелого скопления, «в принципе могут подвергаться почти бесконечному увеличению» и появляться в поле зрения, сказал он.

Виндхорст возглавляет программу JWST, которая пробовать технику. «Я вполне уверен, что через год или два мы их увидим», — сказал он. «У нас уже есть несколько кандидатов». Точно так же Эрос Ванцелла, астроном из Национального института астрофизики в Италии, ведущий программы это изучение группы из 10 или 20 звезд-кандидатов в Население III с использованием гравитационного линзирования. «Сейчас мы просто играем с данными», — сказал он.

И остается дразнящая возможность того, что некоторые из неожиданно яркие галактики уже замеченные JWST в ранней Вселенной, могли быть обязаны своей яркостью массивным звездам населения III. «Это как раз те эпохи, когда, как мы ожидаем, формируются первые звезды», — сказал Ванцелла. «Я надеюсь… что в ближайшие недели или месяцы будут обнаружены первые звезды».