Астрономи кажуть, що вони помітили перші зірки Всесвіту

Група астрономів, досліджуючи дані космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), помітила світло від рідкісного ізотопу гелію в далекій галактиці, що може свідчити про наявність у Всесвіті найпершого покоління зірок.

Ці довгоочікувані, невлучно названі зірки «Населення III» були б гігантськими кулями водню та гелію, виліпленими з первинного газу Всесвіту. Теоретики почали уявляти собі ці перші вогняні кулі в 1970-х роках, припускаючи, що після короткого періоду життя вони вибухають як наднові, створюючи важчі елементи та викидаючи їх у космос. Ця зоряна речовина згодом породила зірки Популяції II, багатіші важкими елементами, а потім навіть багатші зірки Популяції I, такі як наше Сонце, а також планети, астероїди, комети і, зрештою, саме життя.

«Ми існуємо, тому ми знаємо, що мало бути перше покоління зірок», — сказав Ребекка Боулер, астроном Манчестерського університету у Великобританії.

Тепер Сінь Ван, астроном з Китайської академії наук у Пекіні, та його колеги вважають, що знайшли їх. "Це справді сюрреалістично", - сказав Ван. Ще потрібне підтвердження; папір команди, розміщено на сервері препринтів arxiv.org 8 грудня очікує експертної перевірки на природа.

Навіть якщо дослідники помиляються, більш переконливе виявлення перших зірок може бути не за горами. JWST, який є перетворення величезних областей астрономії, вважається здатним зазирнути досить далеко в простір і час, щоб побачити їх. Вже зараз гігантський плаваючий телескоп виявив далекі галактики, чиї незвичайні яскравість припускає, що вони можуть містити зірки Популяції III. А інші дослідницькі групи, які намагаються відкрити зірки за допомогою JWST, зараз аналізують власні дані. «Це однозначно одне з найгарячіших питань», — сказав він Майк Норман, фізик з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, який вивчає зірки за допомогою комп’ютерного моделювання.

Остаточне відкриття дозволить астрономам почати досліджувати розмір і зовнішній вигляд зірок, коли вони існували, і як у первісній темряві вони раптово засвітилися.

«Це справді одна з найбільш фундаментальних змін в історії Всесвіту», — сказав Боулер.

Населення III

Приблизно через 400,000 XNUMX років після Великого вибуху електрони, протони та нейтрони осіли достатньо, щоб об’єднатися в атоми водню та гелію. Оскільки температура продовжувала падати, темна матерія поступово збиралася в грудки, тягнучи за собою атоми. Усередині згустків водень і гелій тиснули під дією сили тяжіння, конденсуючись у величезні газові кулі, доки, коли кулі стали достатньо щільними, в їхніх центрах раптово спалахнув ядерний синтез. Народилися перші зірки.

Німецький астроном Вальтер Бааде категоризовано зірки в нашій галактиці на типи I і II у 1944 році. Перший включає наше Сонце та інші багаті металами зірки; остання містить більш старі зірки, що складаються з легших елементів. Ідея зірок Населення III увійшла в літературу десятиліттями пізніше. У статті 1984 року, яка підняла їх авторитет, британський астрофізик Бернард Карр описав життєво важливу роль ця оригінальна порода зірок, можливо, грала в ранньому Всесвіті. «Їхнє тепло або вибухи могли повторно іонізувати Всесвіт, — писали Карр та його колеги, — і їхній вихід важких елементів міг спричинити сплеск догалактичного збагачення», що дало початок пізнішим зіркам, багатшим на важкі елементи.

Карр і його співавтори підрахували, що зірки могли вирости до величезних розмірів, десь від кількох сотень до 100,000 XNUMX разів масивніших за наше Сонце, через великий об’єм водню та гелію, доступних у ранньому Всесвіті.

Ті, що знаходяться на більш важкому кінці діапазону, так звані надмасивні зірки, були б відносно холодними, червоними та роздутими, з розмірами, які могли б охопити майже всю нашу Сонячну систему. Більш щільні, скромніші варіанти зірок Популяції III сяяли б блакитно-гарячими, з температурою поверхні близько 50,000 5,500 градусів за Цельсієм, у порівнянні з лише XNUMX градусами для нашого Сонця.

У 2001 році комп'ютерне моделювання під керівництвом Нормана пояснило як могли утворитися такі великі зірки. У сучасному Всесвіті хмари газу дробляться на безліч маленьких зірок. Але моделювання показало, що газові хмари в ранньому Всесвіті, будучи набагато гарячішими за сучасні хмари, не могли так легко конденсуватися і тому були менш ефективними при утворенні зірок. Натомість цілі хмари згорнуться в одну гігантську зірку.

Їхні величезні розміри означали, що зірки недовговічні, щонайбільше кілька мільйонів років. (Масивніші зірки спалюють доступне паливо швидше.) Таким чином, зірки Популяції III не проіснували б довго в історії Всесвіту — можливо, кілька сотень мільйонів років, поки розсіються останні вогнища первісного газу.

Є багато невизначеностей. Наскільки масовими насправді стали ці зірки? Як пізно у Всесвіті вони існували? І наскільки їх було багато в ранньому Всесвіті? «Вони абсолютно різні зірки, ніж зірки нашої галактики», — сказав Боулер. «Вони просто такі цікаві об’єкти».

Оскільки вони так далеко й існували дуже коротко, пошук доказів для них був проблемою. Однак у 1999 році астрономи з Університету Колорадо в Боулдері передбачили, що зірки повинні створювати виразний підпис: питома частота світла від гелію-2. Ця нестабільна форма гелію містить лише два протони у своєму ядрі, тоді як звичайний гелій також має два нейтрони. «Викид гелію насправді не походить із самих зірок», — пояснив Джеймс Трасслер, астроном з Манчестерського університету; скоріше, він був створений, коли енергійні фотони з гарячих поверхонь зірок врізалися в газ, що оточував зірку.

"Це відносно просте передбачення", - сказав Даніель Шерер з Женевського університету, який розширив ідею в 2002 році. Було полювання. 

Пошук перших зірок

У 2015 році Шерер і його колеги думали, що вони могли щось знайти. Вони виявив можливий натяк сигнатури гелію-2 у далекій примітивній галактиці, яка могла бути пов’язана з групою зірок Популяції III. Якщо побачити, як вона з’явилася через 800 мільйонів років після Великого вибуху, галактика виглядала так, ніби вона могла містити перші докази появи перших зірок у Всесвіті.

Пізніше роботу очолив Боулер оскаржив висновки. «Ми знайшли докази викиду кисню з джерела. Це виключало чистий сценарій Населення III», – сказала вона. Тоді незалежна група не вдалося виявити лінію гелію-2 побачив початкова команда. «Цього не було», — сказав Боулер.

Чи можуть інші жити краще?

Астрономи покладали надії на JWST, який був запущений у грудні 2021 року. Телескоп з його величезним дзеркалом і безпрецедентною чутливістю до інфрачервоного світла може легше вдивлятися в ранній Всесвіт, ніж будь-який попередній телескоп. (Оскільки світлу потрібен час, щоб пройти тут, телескоп бачить слабкі, далекі об’єкти, якими вони з’явилися давно.) Телескоп також може виконувати спектроскопію, розбиваючи світло на складові довжини хвилі, що дає змогу шукати ознаку гелію-2 у Населення III зір.

Команда Ванга проаналізувала дані спектроскопії для понад 2,000 мішеней JWST. Одна — це далека галактика, яку можна побачити такою, якою вона з’явилася лише через 620 мільйонів років після Великого вибуху. За словами дослідників, галактика розколота на дві частини. Їхній аналіз показав, що одна половина, схоже, має ключову ознаку гелію-2, змішаного зі світлом від інших елементів, потенційно вказуючи на гібридну популяцію з тисяч Населення III та інших зірок. Спектроскопія другої половини галактики ще не виконана, але її яскравість натякає на середовище, багате Популяцією III.

«Ми намагаємося подати заявку на час спостереження для JWST у наступному циклі, щоб охопити всю галактику», — сказав Ван, щоб «мати шанс підтвердити наявність таких об’єктів».

Згідно з Норманом, галактика — це «голова, що дряпає голову». Якщо результати гелію-2 витримають перевірку, сказав він, «одна з можливостей — це скупчення зірок Популяції III». Однак він не впевнений, чи можуть зірки Популяції III і пізніші зірки змішуватися разом так легко.

Деніел Велен, астрофізик з Університету Портсмута, був так само обережний. «Це точно може бути свідченням змішування зірок Населення III і Населення II в одній галактиці», — сказав він. Однак, хоча це було б «першим прямим доказом» перших зірок у Всесвіті, Вейлен сказав, «це не чистий доказ». Інші гарячі космічні об’єкти можуть виробляти подібні ознаки гелію-2, включаючи пекучі диски матеріалу, які обертаються навколо чорних дір.

Ван вважає, що його команда може виключити чорну діру як джерело, оскільки вони не виявили специфічних сигнатур кисню, азоту або іонізованого вуглецю, які можна було б очікувати в цьому випадку. Однак робота все ще чекає експертної оцінки, і навіть тоді для підтвердження потенційних висновків знадобляться подальші спостереження.

По гарячих слідах

Інші групи, які використовують JWST, також полюють на перші зірки.

Крім пошуку гелію-2, інший метод пошуку, запропонований астрономом Рогіром Віндгорстом з Університету штату Арізона та його колегами в 2018 році, полягає в тому, щоб використовувати силу тяжіння гігантських скупчень галактик, щоб побачити окремі зірки в ранньому Всесвіті. Використання масивного об’єкта, наприклад скупчення, для деформації світла та збільшення більш віддалених об’єктів (техніка, відома як гравітаційне лінзування) є поширеним способом, яким астрономи отримують зображення далеких галактик. Віндхорст вважав, що навіть окремі зірки Населення III, які наближаються до краю важкого скупчення, «в принципі можуть зазнати майже нескінченного збільшення» і з’явитися в полі зору, сказав він.

Віндхорст очолює програму JWST спроба техніки. «Я цілком упевнений, що через рік чи два ми побачимо дещо», — сказав він. «У нас уже є кілька кандидатів». Так само Ерос Ванцелла, астроном з Національного інституту астрофізики в Італії, ведучи програму це вивчення групи з 10 або 20 кандидатів у зірки Населення III за допомогою гравітаційного лінзування. «Зараз ми просто граємося з даними», — сказав він.

І залишається спокуслива можливість того, що деякі з них несподівано яскраві галактики вже помічені JWST у ранньому Всесвіті, могли завдячувати своєю яскравістю масивним зіркам Населення III. «Це саме ті епохи, коли ми очікуємо формування перших зірок», — сказав Ванзелла. «Я сподіваюся, що в наступні тижні чи місяці перші зірки будуть виявлені».