Gökbilimciler Evrenin İlk Yıldızlarını Gördüklerini Söylediler

James Webb Uzay Teleskobu'ndan (JWST) elde edilen verileri inceleyen bir grup gökbilimci, uzak bir galaksideki nadir bir helyum izotopundan gelen ışığı yakaladı; bu, evrenin ilk nesil yıldızlarının varlığına işaret edebilir.

Bu uzun zamandır aranan, yersiz bir şekilde "Nüfus III" olarak adlandırılan yıldızlar, evrenin ilkel gazından yontulmuş devasa hidrojen ve helyum topları olmalıydı. Teorisyenler bu ilk ateş toplarını 1970'lerde hayal etmeye başladılar ve kısa yaşam sürelerinden sonra süpernovalar olarak patlayarak daha ağır elementleri işleyip kozmosa püskürttüklerini varsaydılar. Bu yıldız zımbırtısı daha sonra ağır elementler bakımından daha bol olan II. Nüfus yıldızlarının, ardından güneşimiz gibi daha da zengin olan I. Nüfus yıldızlarının yanı sıra gezegenlerin, asteroitlerin, kuyruklu yıldızların ve nihayetinde hayatın kendisinin ortaya çıkmasına neden oldu.

"Biz varız, bu nedenle yıldızların ilk neslinin var olduğunu biliyoruz" dedi. Rebecca Melon, Birleşik Krallık'taki Manchester Üniversitesi'nde bir astronom.

Şimdi Pekin'deki Çin Bilimler Akademisi'nde astronom olan Xin Wang ve meslektaşları onları bulduklarını düşünüyorlar. Wang, "Gerçekten gerçeküstü," dedi. Hala onay gerekiyor; takımın kağıdı, arxiv.org ön baskı sunucusunda yayınlandı 8 Aralık'ta, hakem incelemesini bekliyor Tabiat.

Araştırmacılar yanılıyor olsalar bile, ilk yıldızların daha inandırıcı bir tespiti çok uzak olmayabilir. JWST, ki bu geniş astronomi alanlarını dönüştürmek, onları görmek için uzayda ve zamanda yeterince uzağa bakabildiği düşünülüyor. Devasa yüzen teleskop, sıra dışı olan uzak galaksileri şimdiden tespit etti. parlaklık Nüfus III yıldızlarını içerebileceklerini öne sürüyor. JWST ile yıldızları keşfetmek için yarışan diğer araştırma grupları da şimdi kendi verilerini analiz ediyor. "Bu kesinlikle en sıcak sorulardan biri" dedi Mike NormanSan Diego'daki California Üniversitesi'nde bilgisayar simülasyonlarında yıldızları inceleyen bir fizikçi.

Kesin bir keşif, gökbilimcilerin yıldızların boyutlarını ve görünümlerini, ne zaman var olduklarını ve ilkel karanlıkta nasıl birdenbire aydınlandıklarını araştırmaya başlamalarına olanak tanıyacaktır.

Bowler, "Gerçekten evren tarihindeki en temel değişikliklerden biri" dedi.

Nüfus III

Büyük Patlama'dan yaklaşık 400,000 yıl sonra, elektronlar, protonlar ve nötronlar, hidrojen ve helyum atomlarını oluşturacak kadar yerleştiler. Sıcaklık düşmeye devam ettikçe, karanlık madde yavaş yavaş kümelendi ve atomları kendisiyle birlikte çekti. Kümelerin içinde, hidrojen ve helyum yerçekimi tarafından ezildi ve toplar yeterince yoğun olduğunda, merkezlerinde nükleer füzyon aniden tutuşana kadar devasa gaz topları halinde yoğunlaştı. İlk yıldızlar doğdu.

Alman astronom Walter Baade kategorize 1944'te galaksimizdeki yıldızlar tip I ve II'ye ayrıldı. İlki, güneşimizi ve diğer metal açısından zengin yıldızları içerir; ikincisi, daha hafif elementlerden yapılmış daha eski yıldızları içerir. Popülasyon III yıldızları fikri literatüre onlarca yıl sonra girdi. Profillerini yükselten 1984 tarihli bir makalede, İngiliz astrofizikçi Bernard Carr hayati rolü anlattı bu orijinal yıldız türü erken evrende oynamış olabilir. Carr ve meslektaşları, "Isıları veya patlamaları evreni yeniden iyonlaştırabilirdi" diye yazdı, "... ve ağır element verimleri, daha sonra ağır elementler açısından daha zengin yıldızlara yol açan bir pregalaktik zenginleşme patlaması üretebilirdi."

Carr ve ortak yazarları, erken evrende mevcut olan büyük hacimli hidrojen ve helyum gazı nedeniyle, yıldızların güneşimizden birkaç yüz ila 100,000 kat daha büyük kütlelere sahip olabileceklerini tahmin ettiler.

Aralığın daha ağır ucundakiler, sözde süper kütleli yıldızlar, neredeyse tüm güneş sistemimizi kapsayabilecek boyutlarla nispeten soğuk, kırmızı ve şişkin olurdu. Nüfus III yıldızlarının daha yoğun, daha mütevazi boyutlara sahip varyantları, güneşimiz için sadece 50,000 derece olan yüzey sıcaklıklarına kıyasla, yaklaşık 5,500 santigrat derecelik yüzey sıcaklıklarıyla masmavi bir şekilde parlayacaktı.

2001 yılında Norman liderliğindeki bilgisayar simülasyonları, bu kadar büyük yıldızlar nasıl oluşabilir. Mevcut evrende, gaz bulutları birçok küçük yıldıza bölünür. Ancak simülasyonlar, modern bulutlardan çok daha sıcak olan erken evrendeki gaz bulutlarının kolayca yoğunlaşamayacağını ve bu nedenle yıldız oluşumunda daha az verimli olduklarını gösterdi. Bunun yerine, tüm bulutlar tek bir dev yıldıza çökerdi.

Muazzam oranları, yıldızların kısa ömürlü olduğu, en fazla birkaç milyon yıl sürdüğü anlamına geliyordu. (Daha büyük kütleli yıldızlar mevcut yakıtlarını daha hızlı tüketirler.) Bu nedenle, Popülasyon III yıldızları evren tarihinde uzun süre dayanamazlardı - belki de son ilkel gaz cepleri dağıldığından birkaç yüz milyon yıl.

Birçok belirsizlik var. Bu yıldızlar gerçekten ne kadar büyük hale geldi? Evrende ne kadar geç var oldular? Ve erken evrende ne kadar bol miktarda bulunuyorlardı? Bowler, "Kendi galaksimizdeki yıldızlardan tamamen farklı yıldızlar," dedi. "Onlar çok ilginç nesneler."

Çok uzakta oldukları ve çok kısa bir süre var oldukları için onlar için kanıt bulmak zor oldu. Bununla birlikte, 1999'da Boulder, Colorado Üniversitesi'ndeki astronomlar, yıldızların açıklayıcı bir imza üretmek: helyum-2'den gelen ışığın belirli bir frekansı. Helyumun bu kararsız formunun çekirdeğinde yalnızca iki proton bulunurken normal helyumun da iki nötronu vardır. Manchester Üniversitesi'nden gökbilimci James Trussler, "Helyum emisyonu aslında yıldızların kendisinden kaynaklanmıyor" diye açıkladı; daha ziyade yıldızların sıcak yüzeylerinden gelen enerjik fotonların yıldızı çevreleyen gaza çarpmasıyla yaratıldı.

Cenevre Üniversitesi'nden Daniel Schaerer, "Bu nispeten basit bir tahmin" dedi. 2002'de fikri genişletti. Av devam ediyordu. 

İlk Yıldızları Bulmak

2015 yılında Schaerer ve meslektaşları bir şeyler bulmuş olabileceklerini düşündüler. Onlar olası bir ipucu tespit edildi Uzak, ilkel bir galaksideki bir grup III. Popülasyon yıldızıyla bağlantılı olabilecek bir helyum-2 imzası. Büyük Patlama'dan 800 milyon yıl sonra ortaya çıktığı görülen galaksi, sanki evrendeki ilk yıldızların ilk kanıtlarını barındırıyormuş gibi görünüyordu.

Bowler liderliğindeki sonraki çalışma bulgulara itiraz etti. "Kaynaktan oksijen yayıldığına dair kanıt bulduk. Bu, saf bir Nüfus III senaryosunu dışladı” dedi. O zaman bağımsız bir grup helyum-2 hattını tespit edemedi ilk ekip tarafından görüldü. Bowler, "Orada değildi," dedi.

Diğerleri daha iyi olabilir mi?

gökbilimciler umutlarını JWST'ye bağladılarMuazzam aynası ve kızılötesi ışığa karşı benzeri görülmemiş duyarlılığıyla teleskop, evrenin erken dönemlerine kendisinden önceki tüm teleskoplardan daha kolay bakabiliyor. (Işığın buraya ulaşması zaman aldığından, teleskop soluk, uzaktaki nesneleri uzun zaman önce göründükleri haliyle görür.) Teleskop aynı zamanda ışığı bileşen dalga boylarına bölerek spektroskopi de yapabilir, bu da onun helyum-2021'nin ayırt edici özelliğini aramasına olanak tanır. Nüfus III yıldızları.

Wang'ın ekibi, JWST'nin 2,000'den fazla hedefi için spektroskopi verilerini analiz etti. Bunlardan biri, Büyük Patlama'dan sadece 620 milyon yıl sonra ortaya çıkan uzak bir galaksidir. Araştırmacılara göre galaksi iki parçaya bölünmüş durumda. Analizleri, yarının diğer elementlerden gelen ışıkla karışmış helyum-2'nin anahtar imzasına sahip olduğunu ve potansiyel olarak binlerce Nüfus III ve diğer yıldızlardan oluşan melez bir popülasyona işaret ettiğini gösterdi. Galaksinin ikinci yarısının spektroskopisi henüz yapılmadı, ancak parlaklığı Nüfus III açısından daha zengin bir çevreye işaret ediyor.

Wang, "Bu tür nesneleri doğrulamak için bir şansa sahip olmak" amacıyla, "Tüm galaksiyi kapsayacak şekilde bir sonraki döngüde JWST için gözlem süresi için başvurmaya çalışıyoruz" dedi.

Norman'a göre galaksi "kafa karıştırıcı". Helyum-2 sonuçları incelemeye dayanabilirse, "bir olasılık, Popülasyon III yıldızlarından oluşan bir kümedir" dedi. Ancak Popülasyon III yıldızları ile daha sonraki yıldızların bu kadar kolay karışıp karışamayacağından emin değil.

daniel balinaPortsmouth Üniversitesi'nden astrofizikçi de benzer şekilde ihtiyatlıydı. "Bu kesinlikle bir galaksideki Popülasyon III ve Popülasyon II yıldızlarının karışımının kanıtı olabilir" dedi. Ancak bu, evrenin ilk yıldızlarının "ilk doğrudan kanıtı" olsa da Whalen, "bunun net bir kanıt olmadığını" söyledi. Kara deliklerin etrafında dönen kavurucu malzeme diskleri de dahil olmak üzere diğer sıcak kozmik nesneler de benzer bir helyum-2 imzası üretebilir.

Wang, ekibinin, bu durumda beklenebilecek belirli oksijen, nitrojen veya iyonize karbon imzalarını tespit etmedikleri için kaynak olarak bir kara deliği ekarte edebileceğini düşünüyor. Bununla birlikte, çalışma hala akran incelemesini bekliyor ve o zaman bile, takip gözlemlerinin potansiyel bulgularını doğrulaması gerekecek.

Yolda Sıcak

JWST kullanan diğer gruplar da ilk yıldızları arıyor.

Helyum-2'yi aramanın yanı sıra, Arizona Eyalet Üniversitesi'nden gökbilimci Rogier Windhorst ve meslektaşları tarafından 2018'de önerilen bir başka arama yöntemi de, yerçekimini kullan erken evrendeki tek tek yıldızları görmek için dev gökada kümelerinin Işığı çarpıtmak ve daha uzaktaki nesneleri büyütmek için bir küme gibi büyük bir nesne kullanmak (kütleçekimsel mercekleme olarak bilinen bir teknik), gökbilimcilerin uzak galaksilerin görüntülerini elde etmelerinin yaygın bir yoludur. Windhorst, ağır bir kümenin kenarına yaklaşan III. Nüfus yıldızlarının bile "prensipte neredeyse sonsuz büyütmeye uğrayabileceğine" ve görüş alanına girebileceğine inandığını söyledi.

Windhorst, bir JWST programına liderlik ediyor. tekniği denemek. "Bir veya iki yıl içinde bazılarını göreceğimizden oldukça eminim" dedi. "Hali hazırda adaylarımız var" Benzer şekilde, İtalya'daki Ulusal Astrofizik Enstitüsü'nde astronom olan Eros Vanzella da bir programa liderlik etmek bu, yerçekimsel mercekleme kullanarak 10 veya 20 aday Popülasyon III yıldızından oluşan bir kümeyi incelemektir. Şu an sadece verilerle oynuyoruz” dedi.

Ve geriye, bazılarının beklenmedik şekilde parlak galaksiler JWST tarafından erken evrende zaten görülen parlaklıklarını büyük Popülasyon III yıldızlarına borçlu olabilir. Vanzella, "Bunlar tam olarak ilk yıldızların oluşmasını beklediğimiz dönemler" dedi. "Umarım... önümüzdeki haftalarda veya aylarda ilk yıldızlar tespit edilir."