Astronomi pravijo, da so opazili prve zvezde v vesolju

Skupina astronomov, ki je preučevala podatke vesoljskega teleskopa Jamesa Webba (JWST), je zagledala svetlobo redkega izotopa helija v oddaljeni galaksiji, kar bi lahko kazalo na prisotnost prve generacije zvezd v vesolju.

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: specifična frekvenca svetlobe iz helija-2. Ta nestabilna oblika helija vsebuje samo dva protona v svojem jedru, medtem ko ima običajni helij tudi dva nevtrona. "Emisija helija dejansko ne izvira iz samih zvezd," je pojasnil James Trussler, astronom z Univerze v Manchestru; namesto tega je nastala, ko so energijski fotoni z vročih površin zvezd zaorali v plin, ki obdaja zvezdo.

"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 podpisa helija-2 v oddaljeni, primitivni galaksiji, ki bi lahko bila povezana s skupino zvezd Populacije III. Gledano kot se je pojavila 800 milijonov let po velikem poku, je bila galaksija videti, kot da bi morda vsebovala prve dokaze o prvih zvezdah v vesolju.

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 ni zaznal črte helija-2 videla prva ekipa. "Ni ga bilo," je rekel Bowler.

Bi se drugim lahko godilo bolje?

Astronomi svoje upe polagali na JWST, ki je bil lansiran decembra 2021. Teleskop s svojim ogromnim zrcalom in izjemno občutljivostjo na infrardečo svetlobo lahko lažje pokuka v zgodnje vesolje kot kateri koli teleskop pred njim. (Ker svetloba potrebuje čas, da potuje do sem, teleskop vidi šibke, oddaljene predmete, kot so se pojavili pred davnimi časi.) Teleskop lahko izvaja tudi spektroskopijo, pri čemer svetlobo razdeli na njene komponente valovne dolžine, kar mu omogoča iskanje značilnega znaka helija-2 Zvezdice populacije III.

Wangova ekipa je analizirala spektroskopske podatke za več kot 2,000 tarč JWST. Ena je oddaljena galaksija, ki jo vidimo, kot se je pojavila le 620 milijonov let po velikem poku. Po mnenju raziskovalcev je galaksija razdeljena na dva dela. Njihova analiza je pokazala, da ima ena polovica ključni znak helija-2, pomešanega s svetlobo drugih elementov, kar lahko kaže na hibridno populacijo tisočev Populacije III in drugih zvezd. Spektroskopijo druge polovice galaksije še ni treba opraviti, vendar njena svetlost namiguje na okolje, bogatejše s Populacijo III.

"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."

Galaksija je po Normanu »praskalnik za glavo«. Če rezultati helija-2 vzdržijo nadzor, je dejal, "je ena od možnosti kopica zvezd Populacije III." Vendar pa ni prepričan, ali bi se lahko zvezde Populacije III in poznejše zvezde tako hitro pomešale skupaj.

Daniel Whalen, astrofizik na Univerzi v Portsmouthu, je bil podobno previden. "To bi vsekakor lahko bil dokaz mešanice zvezd Populacije III in Populacije II v eni galaksiji," je dejal. Čeprav bi bil to "prvi neposredni dokaz" o prvih zvezdah v vesolju, je Whalen dejal, "to ni čist dokaz." Drugi vroči kozmični predmeti lahko ustvarijo podoben znak helija-2, vključno z žgočimi diski materiala, ki se vrtinčijo okoli črnih lukenj.

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.

Poleg iskanja helija-2 je druga metoda iskanja, ki jo je leta 2018 predlagal astronom Rogier Windhorst z univerze Arizona State in sodelavci, 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."