Astronomer säger att de har upptäckt universums första stjärnor

En grupp astronomer som tittar på data från rymdteleskopet James Webb (JWST) har skymtat ljus från en sällsynt isotop av helium i en avlägsen galax, vilket kan indikera närvaron av universums allra första generation av stjärnor.

Dessa länge eftersökta, olämpligt namngivna "Population III"-stjärnor skulle ha varit enorma kulor av väte och helium skulpterade från universums urgas. Teoretiker började föreställa sig dessa första eldklot på 1970-talet, med en hypotes om att de efter korta liv exploderade som supernovor, formade tyngre grundämnen och spydde ut dem i kosmos. Den stjärngrejen gav senare upphov till Population II-stjärnor som var mer rik på tunga element, sedan ännu rikare Population I-stjärnor som vår sol, såväl som planeter, asteroider, kometer och så småningom livet självt.

"Vi finns, därför vet vi att det måste ha funnits en första generation av stjärnor," sa Rebecca Bowler, en astronom vid University of Manchester i Storbritannien.

Nu tror Xin Wang, en astronom vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking, och hans kollegor att de har hittat dem. "Det är verkligen overkligt," sa Wang. Bekräftelse behövs fortfarande; lagets tidning, publiceras på preprint-servern arxiv.org den 8 december, väntar peer review kl Natur.

Även om forskarna har fel är en mer övertygande upptäckt av de första stjärnorna kanske inte långt borta. JWST, vilket är förvandlar stora delar av astronomi, tros kunna titta tillräckligt långt bort i tid och rum för att se dem. Redan har det gigantiska flytande teleskopet upptäckt avlägsna galaxer som är ovanliga ljushet föreslår att de kan innehålla Population III-stjärnor. Och andra forskargrupper som tävlar om att upptäcka stjärnorna med JWST analyserar sina egna data nu. "Detta är absolut en av de hetaste frågorna", sa Mike Norman, en fysiker vid University of California, San Diego som studerar stjärnorna i datorsimuleringar.

En definitiv upptäckt skulle göra det möjligt för astronomer att börja undersöka stjärnornas storlek och utseende, när de existerade och hur de plötsligt lyste upp i det ursprungliga mörkret.

"Det är verkligen en av de mest grundläggande förändringarna i universums historia," sa Bowler.

Befolkning III

Cirka 400,000 XNUMX år efter Big Bang lade sig elektroner, protoner och neutroner ner tillräckligt för att kombineras till väte- och heliumatomer. När temperaturen fortsatte att sjunka, klumpade sig mörk materia gradvis ihop och drog med sig atomerna. Inuti klumparna klämdes väte och helium samman av gravitationen och kondenserade till enorma kulor av gas tills, när kulorna väl var tillräckligt täta, antändes kärnfusion plötsligt i deras centra. De första stjärnorna föddes.

Den tyske astronomen Walter Baade kategoris stjärnorna i vår galax till typ I och II 1944. Den förra inkluderar vår sol och andra metallrika stjärnor; den senare innehåller äldre stjärnor gjorda av lättare element. Idén om Population III-stjärnor kom in i litteraturen decennier senare. I en tidning från 1984 som lyfte deras profil, den brittiske astrofysikern Bernard Carr beskrev den viktiga rollen denna ursprungliga stjärnras kan ha spelat i det tidiga universum. "Deras värme eller explosioner kunde ha återjoniserat universum," skrev Carr och hans kollegor, "... och deras utbyte av tunga element kunde ha producerat en explosion av pregalaktisk anrikning", vilket gav upphov till senare stjärnor rikare på tyngre element.

Carr och hans medförfattare uppskattade att stjärnorna kunde ha vuxit till enorma storlekar och mätt någonstans mellan några hundra och 100,000 XNUMX gånger mer massiv än vår sol, på grund av den stora volymen väte och heliumgas som finns tillgänglig i det tidiga universum.

De i den tyngre änden av området, så kallade supermassiva stjärnor, skulle ha varit relativt svala, röda och uppsvällda, med storlekar som kunde omfatta nästan hela vårt solsystem. Tätare, mer blygsamma varianter av Population III-stjärnor skulle ha lyst blåhett, med yttemperaturer på cirka 50,000 5,500 grader Celsius, jämfört med bara XNUMX XNUMX grader för vår sol.

År 2001 förklarade datorsimuleringar ledda av Norman hur så stora stjärnor kunde bildas. I det nuvarande universum splittras gasmoln till massor av små stjärnor. Men simuleringarna visade att gasmoln i det tidiga universum, som är mycket hetare än moderna moln, inte lika lätt kunde kondensera och därför var mindre effektiva vid stjärnbildning. Istället skulle hela moln kollapsa till en enda gigantisk stjärna.

Deras enorma proportioner innebar att stjärnorna var kortlivade och varade högst några miljoner år. (Mer massiva stjärnor brinner genom sitt tillgängliga bränsle snabbare.) Som sådan skulle Population III-stjärnor inte ha varat länge i universums historia - kanske några hundra miljoner år när de sista fickorna av urgas försvann.

Det finns många osäkerheter. Hur massiva blev dessa stjärnor egentligen? Hur sent in i universum fanns de? Och hur många var de i det tidiga universum? "De är helt olika stjärnor än stjärnorna i vår egen galax," sa Bowler. "De är bara så intressanta föremål."

Eftersom de är så långt borta och existerade så kort, har det varit en utmaning att hitta bevis för dem. Men 1999 förutspådde astronomer vid University of Colorado, Boulder att stjärnorna skulle skapa en kontrollant signatur: en specifik frekvens av ljus från helium-2. Denna instabila form av helium innehåller bara två protoner i sin kärna, medan vanligt helium också har två neutroner. "Heliumemissionen kommer faktiskt inte inifrån stjärnorna själva," förklarade James Trussler, en astronom vid University of Manchester; snarare skapades den när energiska fotoner från stjärnornas heta ytor plöjde in i gas som omgav stjärnan.

"Det är en relativt enkel förutsägelse," sade Daniel Schaerer vid universitetet i Genève, som utvidgade idén 2002. Jakten var igång. 

Hitta de första stjärnorna

2015 trodde Schaerer och hans kollegor att de kanske hade hittat något. De upptäckt en möjlig ledtråd av en helium-2-signatur i en avlägsen, primitiv galax som kan ha varit kopplad till en grupp av Population III-stjärnor. Sett som den dök upp 800 miljoner år efter Big Bang såg galaxen ut som om den kunde innehålla de första bevisen på de första stjärnorna i universum.

Senare arbete ledd av Bowler bestred resultaten. "Vi hittade bevis för syreutsläpp från källan. Det uteslöt ett rent Population III-scenario”, sa hon. En oberoende grupp alltså misslyckades med att upptäcka helium-2-linjen sett av det första laget. "Det var inte där," sa Bowler.

Kunde andra klarat sig bättre?

astronomer satte sitt hopp till JWST, som lanserades i december 2021. Teleskopet, med sin enorma spegel och oöverträffade känslighet för infrarött ljus, kan enklare titta in i det tidiga universum än något teleskop före det. (Eftersom ljuset tar tid att färdas här ser teleskopet svaga, avlägsna objekt som de såg ut för länge sedan.) Teleskopet kan också göra spektroskopi och bryta upp ljus i dess beståndsdelar våglängder, vilket gör att det kan leta efter helium-2-kännetecknet för Population III stjärnor.

Wangs team analyserade spektroskopidata för mer än 2,000 620 av JWST:s mål. Den ena är en avlägsen galax som sågs som den dök upp bara 2 miljoner år efter Big Bang. Enligt forskarna är galaxen uppdelad i två delar. Deras analys visade att ena hälften verkar ha nyckelsignaturen för helium-XNUMX blandat med ljus från andra element, vilket potentiellt pekar på en hybridpopulation av tusentals Population III och andra stjärnor. Spektroskopi av den andra halvan av galaxen har ännu inte gjorts, men dess ljusstyrka antyder en mer Population III-rik miljö.

"Vi försöker ansöka om observationstid för JWST i nästa cykel för att täcka hela galaxen," sa Wang, för att "få en bild av att bekräfta sådana objekt."

Galaxen är en "head-cratcher", enligt Norman. Om helium-2-resultaten håller för granskning, sa han, "en möjlighet är ett kluster av Population III-stjärnor." Han är dock osäker på om Population III-stjärnor och senare stjärnor kan blandas så lätt.

Daniel Whalen, en astrofysiker vid University of Portsmouth, var på samma sätt försiktig. "Det kan definitivt vara bevis på en blandning av Population III- och Population II-stjärnor i en galax," sa han. Men även om detta skulle vara "det första direkta beviset" på universums första stjärnor, sa Whalen, "det är inte rena bevis." Andra varma kosmiska föremål kan producera en liknande signatur av helium-2, inklusive brännande skivor av material som virvlar runt svarta hål.

Wang tror att hans team kan utesluta ett svart hål som källa eftersom de inte upptäckte specifika syre-, kväve- eller joniserade kolsignaturer som skulle förväntas i så fall. Arbetet väntar dock fortfarande på peer review, och även då kommer uppföljande observationer att behöva bekräfta dess potentiella resultat.

Hot on the Trail

Andra grupper som använder JWST är också på jakt efter de första stjärnorna.

Förutom att leta efter helium-2, är en annan sökmetod, föreslagen av astronomen Rogier Windhorst från Arizona State University och kollegor 2018, att använd gravitationen av gigantiska galaxhopar för att se enskilda stjärnor i det tidiga universum. Att använda ett massivt föremål som ett kluster för att förvränga ljus och förstora mer avlägsna föremål (en teknik som kallas gravitationslinsning) är ett vanligt sätt för astronomer att få syn på avlägsna galaxer. Windhorst trodde att även enskilda Population III-stjärnor som närmar sig kanten av en tung klunga "i princip kunde genomgå nästan oändlig förstoring" och dyka upp, sa han.

Windhorst leder ett JWST-program dvs pröva tekniken. "Jag är ganska säker på att om ett eller två år kommer vi att ha sett några," sa han. "Vi har redan några kandidater." På liknande sätt är Eros Vanzella, en astronom vid National Institute for Astrophysics i Italien, leda ett program det är att studera en klump av 10 eller 20 kandidatpopulation III-stjärnor med hjälp av gravitationslinser. "Vi leker bara med data nu," sa han.

Och det kvarstår den lockande möjligheten att några av de oväntat ljusa galaxer redan sett av JWST i det tidiga universum kunde tacka sin ljusstyrka till massiva Population III-stjärnor. "Det här är exakt de epoker där vi förväntar oss att de första stjärnorna bildas," sa Vanzella. "Jag hoppas ... att de första stjärnorna kommer att upptäckas inom de närmaste veckorna eller månaderna."