นักดาราศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาพบดาวฤกษ์ดวงแรกของจักรวาลแล้ว

นักดาราศาสตร์กลุ่มหนึ่งสำรวจข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) ได้เหลือบแสงจากไอโซโทปฮีเลียมที่หายากในกาแลคซีห่างไกล ซึ่งอาจบ่งบอกถึงการมีอยู่ของดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ ของเอกภพ

ดาวฤกษ์ "ประชากร III" ที่ตามหามานานและตั้งชื่ออย่างไม่เหมาะสมเหล่านี้น่าจะเป็นลูกบอลไฮโดรเจนและฮีเลียมขนาดมหึมาที่ปั้นขึ้นจากก๊าซในยุคดึกดำบรรพ์ของเอกภพ นักทฤษฎีเริ่มจินตนาการถึงลูกไฟลูกแรกเหล่านี้ในปี 1970 โดยตั้งสมมติฐานว่าหลังจากช่วงอายุสั้น พวกมันจะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา หล่อหลอมองค์ประกอบที่หนักกว่าและพ่นมันเข้าไปในจักรวาล ดาวฤกษ์เหล่านั้นต่อมาได้ก่อให้เกิดดาวฤกษ์ Population II ที่มีองค์ประกอบหนักมากขึ้น จากนั้นก็มีดาวฤกษ์ที่มีประชากร I มากขึ้นเช่นดวงอาทิตย์ของเรา เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง และในที่สุดก็มีชีวิตด้วยตัวของมันเอง

“เรามีอยู่ ดังนั้นเราจึงรู้ว่าต้องมีดาวฤกษ์รุ่นแรก” กล่าว รีเบคก้า โบว์เลอร์นักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในสหราชอาณาจักร

ตอนนี้ Xin Wang นักดาราศาสตร์จาก Chinese Academy of Sciences ในกรุงปักกิ่ง และเพื่อนร่วมงานของเขาคิดว่าพวกเขาพบแล้ว “มันเหนือจริงจริงๆ” วังกล่าว ยังต้องมีการยืนยัน กระดาษของทีม โพสต์บนเซิร์ฟเวอร์ preprint arxiv.org ในวันที่ 8 ธันวาคม กำลังรอการตรวจสอบโดยเพื่อนที่ ธรรมชาติ.

แม้ว่านักวิจัยจะคิดผิด แต่การตรวจพบดาวฤกษ์ดวงแรกที่น่าเชื่อกว่านี้อาจไม่ใช่เรื่องไกลตัว JWST ซึ่งก็คือ พลิกโฉมวงการดาราศาสตร์อันกว้างใหญ่ไพศาลคิดว่าสามารถมองออกไปในอวกาศและเวลาได้ไกลพอที่จะเห็นพวกมัน กล้องโทรทรรศน์ลอยน้ำขนาดมหึมาตรวจพบดาราจักรไกลโพ้นซึ่งมีความผิดปกติ ความสว่าง แสดงว่าอาจมีดาวฤกษ์ Population III และกลุ่มวิจัยอื่น ๆ ที่พยายามค้นหาดวงดาวด้วย JWST กำลังวิเคราะห์ข้อมูลของตนเองในขณะนี้ “นี่เป็นหนึ่งในคำถามที่ร้อนแรงที่สุด” กล่าว ไมค์ นอร์แมนนักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ผู้ศึกษาดวงดาวในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

การค้นพบที่แน่ชัดจะทำให้นักดาราศาสตร์สามารถเริ่มสำรวจขนาดและรูปลักษณ์ของดาวฤกษ์ได้ ว่าดาวฤกษ์เหล่านั้นเกิดขึ้นเมื่อไร และเกิดขึ้นได้อย่างไรในความมืดดึกดำบรรพ์ จู่ๆ พวกมันก็สว่างขึ้น

“มันเป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานที่สุดในประวัติศาสตร์ของจักรวาล” โบว์เลอร์กล่าว

ประชากร III

ประมาณ 400,000 ปีหลังจากบิกแบง อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนจะตกตะกอนมากพอที่จะรวมกันเป็นอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม ขณะที่อุณหภูมิลดต่ำลง สสารมืดก็ค่อยๆ รวมตัวกันเป็นก้อน ดึงอะตอมไปด้วย ภายในกระจุกนั้น ไฮโดรเจนและฮีเลียมถูกแรงโน้มถ่วงบดอัดจนควบแน่นเป็นก้อนก๊าซขนาดมหึมา จนกระทั่งเมื่อลูกบอลมีความหนาแน่นเพียงพอ นิวเคลียร์ฟิวชันก็จุดประกายขึ้นที่ใจกลางของพวกมันทันที ดาวฤกษ์ดวงแรกถือกำเนิดขึ้น

Walter Baade นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน การจัดหมวดหมู่ ดวงดาวในกาแล็กซีของเราออกเป็นประเภท I และ II ในปี 1944 ประเภทแรกรวมถึงดวงอาทิตย์ของเราและดาวฤกษ์อื่นๆ ที่มีธาตุโลหะมาก หลังมีดาวฤกษ์ที่มีอายุมากกว่าซึ่งทำจากธาตุที่เบากว่า แนวคิดเรื่องดาราประชากร III เข้าสู่วรรณกรรมหลายทศวรรษต่อมา ในเอกสารปี 1984 ที่ยกประวัติของพวกเขา เบอร์นาร์ด คาร์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้อธิบายถึงบทบาทที่สำคัญ ดาวฤกษ์สายพันธุ์ดั้งเดิมนี้อาจเล่นในจักรวาลยุคแรก “ความร้อนหรือการระเบิดของพวกมันอาจทำให้เอกภพกลับมาแตกตัวเป็นไอออนได้” คาร์และเพื่อนร่วมงานของเขาเขียนว่า “… และการปลดปล่อยธาตุหนักของพวกมันอาจก่อให้เกิดการระเบิดของการเพิ่มคุณค่าก่อนกาแล็กซี” ทำให้ดาวฤกษ์ยุคต่อมามีธาตุที่หนักกว่ามากขึ้น

คาร์และผู้ร่วมเขียนประเมินว่าดาวฤกษ์สามารถเติบโตจนมีขนาดมหึมา โดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ไม่กี่ร้อยถึง 100,000 เท่า เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมมีปริมาณมากในเอกภพยุคแรก

ดาวฤกษ์มวลมหาศาลที่อยู่ปลายสุดของพิสัยจะค่อนข้างเย็น มีสีแดงและป่อง มีขนาดเกือบครอบคลุมระบบสุริยะของเราทั้งหมด ดาวฤกษ์ประเภทประชากร III ที่หนาแน่นกว่าและมีขนาดพอประมาณจะส่องแสงสีน้ำเงินร้อน โดยมีอุณหภูมิพื้นผิวประมาณ 50,000 องศาเซลเซียส เทียบกับดวงอาทิตย์ของเราเพียง 5,500 องศา

ในปี 2001 การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์นำโดยนอร์แมนอธิบาย ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่เช่นนี้สามารถก่อตัวขึ้นได้อย่างไร. ในเอกภพปัจจุบัน เมฆก๊าซแตกตัวออกเป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็กจำนวนมาก แต่การจำลองแสดงให้เห็นว่าเมฆก๊าซในเอกภพยุคแรกซึ่งมีความร้อนสูงกว่าเมฆสมัยใหม่มาก ไม่สามารถควบแน่นได้ง่าย และมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการก่อตัวดาว เมฆทั้งหมดจะยุบตัวกลายเป็นดาวยักษ์เพียงดวงเดียว

สัดส่วนที่ใหญ่โตของพวกมันหมายความว่าดาวฤกษ์มีอายุสั้น โดยมากอาจอยู่ได้ไม่กี่ล้านปี (ดาวฤกษ์มวลมากกว่าจะเผาผลาญเชื้อเพลิงที่มีอยู่ได้เร็วกว่า) ด้วยเหตุนี้ ดาวฤกษ์ที่มีประชากร III จึงคงอยู่ได้ไม่นานนักในประวัติศาสตร์ของเอกภพ - อาจเป็นเวลาสองสามร้อยล้านปีเมื่อก๊าซในยุคดึกดำบรรพ์กลุ่มสุดท้ายสลายไป

มีความไม่แน่นอนหลายประการ ดาวเหล่านี้มีมวลมากขนาดไหน? พวกมันอยู่ในยุคดึกดำบรรพ์ของจักรวาลได้อย่างไร? และพวกมันมีมากมายเพียงใดในเอกภพยุคแรก? “พวกมันเป็นดาวที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงกับดวงดาวในกาแล็กซีของเรา” โบว์เลอร์กล่าว “พวกมันเป็นเพียงวัตถุที่น่าสนใจเท่านั้น”

เนื่องจากพวกมันอยู่ห่างไกลและอยู่ในช่วงเวลาสั้น ๆ การค้นหาหลักฐานสำหรับพวกมันจึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย อย่างไรก็ตาม ในปี 1999 นักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ได้ทำนายว่าดวงดาวควรจะ สร้างลายเซ็นปากโป้ง: ความถี่เฉพาะของแสงจากฮีเลียม-2 ฮีเลียมในรูปแบบที่ไม่เสถียรนี้มีโปรตอนเพียงสองตัวในนิวเคลียส ในขณะที่ฮีเลียมปกติก็มีนิวตรอนสองตัวเช่นกัน “การปลดปล่อยฮีเลียมไม่ได้เกิดจากภายในดวงดาวจริงๆ” James Trussler นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์อธิบาย แต่มันถูกสร้างขึ้นเมื่อโฟตอนที่มีพลังจากพื้นผิวร้อนของดาวฤกษ์ถูกไถเข้าไปในก๊าซที่อยู่รอบดาวฤกษ์

“มันเป็นคำทำนายที่ค่อนข้างง่าย” แดเนียล แชเรอร์ จากมหาวิทยาลัยเจนีวากล่าว ขยายความคิดในปี 2002. การตามล่าเริ่มขึ้น 

ค้นหาดาวดวงแรก

ในปี 2015 Schaeer และเพื่อนร่วมงานคิดว่าพวกเขาอาจพบบางสิ่ง พวกเขา ตรวจพบคำใบ้ที่เป็นไปได้ ของลายเซ็นฮีเลียม-2 ในดาราจักรดึกดำบรรพ์อันห่างไกลที่อาจเชื่อมโยงกับกลุ่มดาวประชากร III เมื่อเห็นว่ามันปรากฏขึ้นหลังจากบิ๊กแบง 800 ล้านปี กาแล็กซีนี้ดูราวกับว่ามันอาจมีหลักฐานชิ้นแรกเกี่ยวกับดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาล

งานต่อมานำโดย Bowler โต้แย้งผลการวิจัย. “เราพบหลักฐานการปล่อยออกซิเจนจากแหล่งกำเนิด นั่นทำให้สถานการณ์ของประชากร III บริสุทธิ์หมดไป” เธอกล่าว เป็นกลุ่มอิสระแล้ว ไม่สามารถตรวจจับเส้นฮีเลียม-2 ได้ เห็นได้จากทีมชุดแรก “มันไม่ได้อยู่ที่นั่น” Bowler กล่าว

คนอื่นสามารถค่าโดยสารที่ดีกว่า?

นักดาราศาสตร์ ปักหมุดความหวังไว้ที่ JWSTซึ่งเปิดตัวในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2021 กล้องโทรทรรศน์ซึ่งมีกระจกเงาขนาดมหึมาและความไวต่อแสงอินฟราเรดที่ไม่เคยมีมาก่อน สามารถมองเข้าไปในเอกภพยุคแรกได้ง่ายกว่ากล้องโทรทรรศน์ใดๆ ก่อนหน้านี้ (เนื่องจากแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางมาที่นี่ กล้องโทรทรรศน์จึงมองเห็นวัตถุที่จางและห่างไกลดังที่ปรากฏเมื่อนานมาแล้ว) กล้องโทรทรรศน์ยังสามารถทำสเปกโทรสโกปี โดยแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นที่เป็นส่วนประกอบ ซึ่งช่วยให้สามารถมองหาจุดเด่นของฮีเลียม-2 ของ ดาวประชากร III

ทีมงานของ Wang วิเคราะห์ข้อมูลสเปกโทรสโกปีสำหรับเป้าหมายของ JWST มากกว่า 2,000 รายการ หนึ่งคือกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลซึ่งปรากฏหลังจากบิ๊กแบงเพียง 620 ล้านปี ตามที่นักวิจัยระบุว่า กาแล็กซีถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน การวิเคราะห์ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าครึ่งหนึ่งดูเหมือนจะมีลักษณะเฉพาะของฮีเลียม-2 ผสมกับแสงจากองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งอาจชี้ไปที่ประชากรลูกผสมจำนวนหลายพันประชากร III และดาวอื่นๆ สเปกโทรสโกปีของกาแลคซีครึ่งหลังยังไม่ได้ทำ แต่ความสว่างของมันบอกเป็นนัยถึงสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยประชากร III

“เรากำลังพยายามขอเวลาสังเกตการณ์สำหรับ JWST ในรอบถัดไปเพื่อให้ครอบคลุมทั้งกาแลคซี” หวังกล่าว เพื่อ “มีโอกาสยืนยันวัตถุดังกล่าว”

กาแล็กซีเป็นเหมือน "เครื่องเกาหัว" ตามที่นอร์แมนกล่าวไว้ หากผลลัพธ์ของฮีเลียม-2 เป็นไปตามการตรวจสอบอย่างละเอียด เขากล่าวว่า "ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือกระจุกดาวประชากร III" อย่างไรก็ตาม เขาไม่แน่ใจว่าดาว Population III และดาวดวงต่อๆ ไปจะผสมเข้าด้วยกันได้ง่ายขนาดนั้นหรือไม่

แดเนียล วาเลนนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยพอร์ตสมัธ ก็มีความระมัดระวังเช่นเดียวกัน “มันอาจเป็นหลักฐานของการผสมระหว่างดาวประชากร III และดาวประชากร II ในกาแลคซีเดียว” เขากล่าว อย่างไรก็ตาม แม้ว่านี่จะเป็น “หลักฐานโดยตรงแรก” ของดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาล Whalen กล่าวว่า “มันไม่ใช่หลักฐานที่สะอาด” วัตถุจักรวาลร้อนอื่นๆ ที่เคลื่อนตัวอยู่สามารถสร้างลักษณะคล้ายฮีเลียม-2 ได้ รวมถึงจานสสารที่ไหม้เกรียมซึ่งหมุนวนรอบหลุมดำ

วังคิดว่าทีมของเขาสามารถแยกแยะหลุมดำที่เป็นแหล่งกำเนิดได้ เนื่องจากพวกเขาตรวจไม่พบลายเซ็นของออกซิเจน ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไอออไนซ์ที่เฉพาะเจาะจงซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นในกรณีนั้น อย่างไรก็ตาม งานยังคงรอการตรวจสอบโดยเพื่อน และถึงอย่างนั้น การสังเกตติดตามผลก็จำเป็นต้องยืนยันการค้นพบที่เป็นไปได้

ร้อนแรงบนเส้นทาง

กลุ่มอื่น ๆ ที่ใช้ JWST ก็กำลังตามล่าหาดาวดวงแรกเช่นกัน

นอกจากการค้นหาฮีเลียม-2 แล้ว วิธีการค้นหาอีกวิธีหนึ่งที่เสนอโดยนักดาราศาสตร์ Rogier Windhorst แห่งมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนาและเพื่อนร่วมงานในปี 2018 ก็คือ ใช้แรงโน้มถ่วง ของกระจุกดาราจักรขนาดยักษ์เพื่อดูดาวแต่ละดวงในเอกภพยุคแรกเริ่ม การใช้วัตถุขนาดใหญ่อย่างเช่นกระจุกดาวเพื่อทำให้แสงบิดเบี้ยวและขยายวัตถุที่อยู่ไกลออกไปให้มากขึ้น (เทคนิคที่เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง) เป็นวิธีที่นักดาราศาสตร์ทั่วไปได้รับมุมมองของดาราจักรที่อยู่ห่างไกล Windhorst เชื่อว่าแม้แต่ดาวฤกษ์ Population III แต่ละดวงที่เข้าใกล้ขอบของกระจุกดาวหนัก "โดยหลักการแล้วอาจมีการขยายเกือบไม่มีที่สิ้นสุด" และปรากฏขึ้นในมุมมอง เขากล่าว

Windhorst เป็นผู้นำโปรแกรม JWST นั่นคือ พยายามใช้เทคนิค. “ผมค่อนข้างมั่นใจว่าในหนึ่งปีหรือสองปีเราจะได้เห็นบางอย่าง” เขากล่าว “เรามีผู้สมัครบางคนแล้ว” ในทำนองเดียวกัน อีรอส แวนเซลลา นักดาราศาสตร์จากสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งชาติในอิตาลี เป็นผู้นำโปรแกรม นั่นคือการศึกษากลุ่มดาวฤกษ์กลุ่มที่สามที่มีประชากร 10 หรือ 20 ดวง โดยใช้เลนส์ความโน้มถ่วง “ตอนนี้เรากำลังเล่นกับข้อมูล” เขากล่าว

และยังคงมีความเป็นไปได้ที่ยั่วเย้าที่บางส่วนของ กาแล็กซีที่สว่างอย่างคาดไม่ถึง JWST ที่มองเห็นแล้วในเอกภพยุคแรกอาจเป็นผลจากความสว่างของดาวฤกษ์ประชากร III จำนวนมาก Vanzella กล่าวว่า "นี่เป็นยุคที่เราคาดว่าดาวฤกษ์ดวงแรกกำลังก่อตัวขึ้น “ฉันหวังว่า … ในอีกไม่กี่สัปดาห์หรือหลายเดือนข้างหน้า ดวงดาวดวงแรกจะถูกตรวจพบ”