Astronomi pravijo, da so opazili prve zvezde v vesolju

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.

Te dolgo iskane, neustrezno poimenovane zvezde "Populacija III" bi bile ogromne krogle vodika in helija, izklesane iz prvobitnega plina vesolja. Teoretiki so si te prve ognjene krogle začeli predstavljati v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in domnevali, da so po kratkih življenjskih obdobjih eksplodirale kot supernove, kovale težje elemente in jih bruhale v vesolje. Te zvezde so kasneje povzročile zvezde Populacije II, ki so bile bogatejše s težkimi elementi, nato še bogatejše zvezde Populacije I, kot je naše sonce, pa tudi planete, asteroide, komete in na koncu samo življenje.

"Obstajamo, zato vemo, da je morala obstajati prva generacija zvezd," je rekel Rebecca Bowler, astronom na Univerzi v Manchestru v Združenem kraljestvu.

Zdaj Xin Wang, astronom s Kitajske akademije znanosti v Pekingu, in njegovi kolegi mislijo, da so jih našli. "To je res nadrealistično," je dejal Wang. Potrditev je še vedno potrebna; papir ekipe, objavljeno na strežniku za prednatis arxiv.org 8. decembra čaka na strokovni pregled pri Narava.

Tudi če se raziskovalci motijo, do bolj prepričljivega odkrivanja prvih zvezd morda ni daleč. JWST, ki je preoblikovanje ogromnih delov astronomije, se domneva, da lahko pokuka dovolj daleč v vesolje in čas, da jih vidi. Ogromen lebdeči teleskop je že zaznal oddaljene galaksije, katerih nenavadne svetlosti kaže, da lahko vsebujejo zvezdice Populacije III. In druge raziskovalne skupine, ki tekmujejo za odkrivanje zvezd z JWST, zdaj analizirajo svoje podatke. "To je absolutno eno najbolj vročih vprašanj," je dejal Mike Norman, fizik na kalifornijski univerzi v San Diegu, ki proučuje zvezde v računalniških simulacijah.

Dokončno odkritje bi astronomom omogočilo, da začnejo raziskovati velikost in videz zvezd, kdaj so obstajale in kako so v prvobitni temi nenadoma zasvetile.

"To je res ena najbolj temeljnih sprememb v zgodovini vesolja," je dejal Bowler.

Prebivalstvo III

Približno 400,000 let po velikem poku so se elektroni, protoni in nevtroni dovolj umirili, da so se združili v atome vodika in helija. Ko je temperatura nenehno padala, se je temna snov postopoma strdila in s seboj potegnila atome. Znotraj grudic sta bila vodik in helij stisnjena zaradi gravitacije, kondenzirala sta se v ogromne krogle plina, dokler se, ko so bile krogle dovolj goste, v njihovih središčih nenadoma vname jedrska fuzija. Prve zvezde so bile rojene.

Nemški astronom Walter Baade kategorizirano zvezde v naši galaksiji v tipa I in II leta 1944. Prva vključuje naše sonce in druge s kovinami bogate zvezde; slednja vsebuje starejše zvezde iz lažjih elementov. Zamisel o zvezdah populacije III je vstopila v literaturo desetletja kasneje. V dokumentu iz leta 1984, ki je dvignil njihovo prepoznavnost, je britanski astrofizik Bernard Carr opisal ključno vlogo ta izvirna vrsta zvezd je morda igrala v zgodnjem vesolju. »Njihova vročina ali eksplozije bi lahko ponovno ionizirale vesolje,« so zapisali Carr in njegovi kolegi, »… in njihov izkoristek težkih elementov bi lahko povzročil izbruh predgalaktične obogatitve,« kar bi povzročilo kasnejše zvezde, bogatejše s težjimi elementi.

Carr in njegovi soavtorji so ocenili, da bi lahko zvezde zrasle do neizmernih velikosti, ki so bile od nekaj sto do 100,000-krat večje od našega sonca, zaradi velike količine plina vodika in helija, ki je bil na voljo v zgodnjem vesolju.

Tiste na težjem koncu razpona, tako imenovane supermasivne zvezde, bi bile razmeroma hladne, rdeče in napihnjene, z velikostmi, ki bi lahko zajemale skoraj celoten naš sončni sistem. Gostejše, skromnejše različice zvezd Populacije III bi svetile modro vroče s površinsko temperaturo približno 50,000 stopinj Celzija v primerjavi s samo 5,500 stopinjami za naše sonce.

Leta 2001 so računalniške simulacije, ki jih je vodil Norman, pojasnile kako so lahko nastale tako velike zvezde. V sedanjem vesolju se oblaki plina drobijo na veliko majhnih zvezd. Toda simulacije so pokazale, da plinski oblaki v zgodnjem vesolju, ki so bili veliko bolj vroči od sodobnih oblakov, niso mogli tako zlahka kondenzirati in so bili zato manj učinkoviti pri nastajanju zvezd. Namesto tega bi se celi oblaki sesedli v eno samo velikansko zvezdo.

Njihove ogromne razsežnosti so pomenile, da so bile zvezde kratkotrajne, trajale so največ nekaj milijonov let. (Masivnejše zvezde hitreje izgorejo razpoložljivo gorivo.) Kot take zvezde Populacije III v zgodovini vesolja ne bi obstajale dolgo – morda nekaj sto milijonov let, ko so se razpršili zadnji žepi prvobitnega plina.

Veliko je negotovosti. Kako velike so v resnici postale te zvezde? Kako pozno v vesolju so obstajali? In kako veliko jih je bilo v zgodnjem vesolju? "So popolnoma drugačne zvezde od zvezd v naši galaksiji," je dejal Bowler. "So tako zanimivi predmeti."

Ker so tako daleč in so obstajali tako kratko, je bilo iskanje dokazov zanje izziv. Vendar pa so leta 1999 astronomi z univerze Colorado v Boulderju napovedali, da bi morale zvezde izdelajo izpovedni podpis: 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.

"To je relativno preprosta napoved," je dejal Daniel Schaerer z Univerze v Ženevi, ki leta 2002 razširil idejo. Lov se je začel. 

Iskanje prvih zvezd

Leta 2015 so Schaerer in njegovi sodelavci mislili, da so morda nekaj našli. Oni zaznala možen namig 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.

Kasnejše delo, ki ga je vodil Bowler oporekal ugotovitvam. »Našli smo dokaze o emisiji kisika iz vira. To je izključilo čisti scenarij populacije III,« je dejala. Samostojna skupina torej failed to detect the helium-2 line videla prva ekipa. "Ni ga bilo," je rekel Bowler.

Bi se drugim lahko godilo bolje?

Astronomi svoje upe polagali na 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.

"Poskušamo zaprositi za čas opazovanja za JWST v naslednjem ciklu, da bi pokrili celotno galaksijo," je dejal Wang, da bi "imeli poskus potrditve takih predmetov."

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 meni, da lahko njegova ekipa izključi črno luknjo kot vir, ker niso zaznali specifičnih podpisov kisika, dušika ali ioniziranega ogljika, ki bi jih pričakovali v tem primeru. Vendar pa delo še vedno čaka na medsebojni pregled in tudi takrat bodo morala nadaljnja opazovanja potrditi morebitne ugotovitve.

Hot on the Trail

Tudi druge skupine, ki uporabljajo JWST, lovijo prve zvezde.

Besides looking for helium-2, another search method, proposed by the astronomer Rogier Windhorst of Arizona State University and colleagues in 2018, is to uporabite gravitacijo velikanskih jat galaksij, da bi videli posamezne zvezde v zgodnjem vesolju. Uporaba masivnega predmeta, kot je kopica, za deformacijo svetlobe in povečavo bolj oddaljenih predmetov (tehnika, znana kot gravitacijska leča), je običajen način, kako astronomi pridobijo pogled na oddaljene galaksije. Windhorst je verjel, da bi celo posamezne zvezde Populacije III, ki se približujejo robu težke kopice, "načeloma lahko podvržene skoraj neskončni povečavi" in se pojavile v vidnem polju, je dejal.

Windhorst vodi program JWST, ki je poskus tehnike. "Prepričan sem, da jih bomo čez leto ali dve videli nekaj," je dejal. "Nekaj ​​kandidatov že imamo." Podobno je Eros Vanzella, astronom z Nacionalnega inštituta za astrofiziko v Italiji. vodenje programa ki preučuje skupino 10 ali 20 kandidatov za zvezde populacije III z uporabo gravitacijskih leč. "Zdaj se samo igramo s podatki," je dejal.

In ostaja mamljiva možnost, da nekateri od nepričakovano svetle galaksije ki jih je JWST že videl v zgodnjem vesolju, lahko svojo svetlost dolgujejo ogromnim zvezdam populacije III. "To so točno obdobja, v katerih pričakujemo, da bodo nastajale prve zvezde," je dejal Vanzella. "Upam ... da bodo v naslednjih tednih ali mesecih odkrite prve zvezde."