Các nhà thiên văn nói rằng họ đã phát hiện ra những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ

Một nhóm các nhà thiên văn học nghiên cứu dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) đã nhìn thấy ánh sáng từ một đồng vị helium hiếm trong một thiên hà xa xôi, điều này có thể cho thấy sự hiện diện của thế hệ sao đầu tiên của vũ trụ.

Những ngôi sao “Dân số III” được tìm kiếm từ lâu, được đặt tên một cách ngẫu hứng này sẽ là những quả cầu khổng lồ chứa hydro và heli được điêu khắc từ khí nguyên thủy của vũ trụ. Các nhà lý thuyết bắt đầu hình dung ra những quả cầu lửa đầu tiên này vào những năm 1970, đưa ra giả thuyết rằng, sau thời gian tồn tại ngắn ngủi, chúng phát nổ dưới dạng siêu tân tinh, tạo ra các nguyên tố nặng hơn và phun chúng vào vũ trụ. Vật liệu sao đó sau đó đã tạo ra các ngôi sao Quần thể II có nhiều nguyên tố nặng hơn, sau đó là các ngôi sao Quần thể I thậm chí còn phong phú hơn như mặt trời của chúng ta, cũng như các hành tinh, tiểu hành tinh, sao chổi và cuối cùng là chính sự sống.

“Chúng tôi tồn tại, do đó chúng tôi biết phải có một thế hệ sao đầu tiên,” nói cầu thủ ném bóng Rebecca, một nhà thiên văn học tại Đại học Manchester ở Vương quốc Anh.

Bây giờ Xin Wang, một nhà thiên văn học tại Viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh, và các đồng nghiệp của ông nghĩ rằng họ đã tìm thấy chúng. “Nó thực sự siêu thực,” Wang nói. Xác nhận vẫn là cần thiết; giấy của nhóm, đăng trên máy chủ in sẵn arxiv.org vào ngày 8 tháng XNUMX, đang chờ bình duyệt tại Thiên nhiên.

Ngay cả khi các nhà nghiên cứu sai, một phát hiện thuyết phục hơn về những ngôi sao đầu tiên có thể không còn xa nữa. JWST, đó là biến đổi những vùng rộng lớn của thiên văn học, được cho là có khả năng nhìn đủ xa trong không gian và thời gian để nhìn thấy chúng. Hiện tại, kính viễn vọng nổi khổng lồ đã phát hiện ra các thiên hà xa xôi có độ sáng cho thấy chúng có thể chứa các ngôi sao Quần thể III. Và các nhóm nghiên cứu khác đang cạnh tranh để khám phá các ngôi sao với JWST hiện đang phân tích dữ liệu của chính họ. “Đây hoàn toàn là một trong những câu hỏi nóng nhất,” nói Mike Norman, một nhà vật lý tại Đại học California, San Diego, người nghiên cứu các ngôi sao trong mô phỏng máy tính.

Một khám phá dứt khoát sẽ cho phép các nhà thiên văn học bắt đầu thăm dò kích thước và hình dáng của các ngôi sao, thời điểm chúng tồn tại và làm thế nào, trong bóng tối nguyên thủy, chúng đột nhiên sáng lên.

“Đó thực sự là một trong những thay đổi cơ bản nhất trong lịch sử vũ trụ,” Bowler nói.

Dân số III

Khoảng 400,000 năm sau Vụ nổ lớn, các electron, proton và neutron lắng xuống đủ để kết hợp thành các nguyên tử hydro và helium. Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, vật chất tối dần dần co cụm lại, kéo theo các nguyên tử. Bên trong các khối, hydro và helium bị ép bởi lực hấp dẫn, ngưng tụ thành những quả bóng khí khổng lồ cho đến khi, khi những quả bóng đủ dày đặc, phản ứng tổng hợp hạt nhân đột ngột bốc cháy ở trung tâm của chúng. Những ngôi sao đầu tiên được sinh ra.

Nhà thiên văn học người Đức Walter Baade phân loại các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta thành loại I và II vào năm 1944. Loại thứ nhất bao gồm mặt trời của chúng ta và các ngôi sao giàu kim loại khác; cái sau chứa các ngôi sao già hơn được tạo thành từ các nguyên tố nhẹ hơn. Ý tưởng về các ngôi sao Dân số III đã đi vào văn học nhiều thập kỷ sau đó. Trong một bài báo năm 1984 nêu lên hồ sơ của họ, nhà vật lý thiên văn người Anh Bernard Carr mô tả vai trò quan trọng loại sao ban đầu này có thể đã đóng vai trò trong vũ trụ sơ khai. “Nhiệt lượng hoặc vụ nổ của chúng có thể đã tái ion hóa vũ trụ,” Carr và các đồng nghiệp của ông viết, “… và sản lượng nguyên tố nặng của chúng có thể đã tạo ra một đợt bùng nổ quá trình làm giàu tiền thiên hà,” tạo ra những ngôi sao sau này giàu nguyên tố nặng hơn.

Carr và các đồng tác giả của ông ước tính rằng các ngôi sao có thể đã phát triển đến kích thước khổng lồ, có khối lượng từ vài trăm đến 100,000 lần so với mặt trời của chúng ta, do khối lượng lớn khí hydro và heli có sẵn trong vũ trụ sơ khai.

Những ngôi sao ở cuối dãy nặng hơn, được gọi là sao siêu nặng, sẽ tương đối mát, có màu đỏ và phồng lên, với kích thước có thể bao trùm gần như toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta. Các biến thể dày đặc hơn, có kích thước khiêm tốn hơn của các sao Quần thể III sẽ tỏa sáng nóng màu xanh lam, với nhiệt độ bề mặt khoảng 50,000 độ C, so với chỉ 5,500 độ đối với mặt trời của chúng ta.

Năm 2001, mô phỏng máy tính do Norman dẫn đầu đã giải thích làm thế nào những ngôi sao lớn như vậy có thể hình thành. Trong vũ trụ hiện tại, các đám mây khí phân mảnh thành nhiều ngôi sao nhỏ. Nhưng các mô phỏng cho thấy rằng các đám mây khí trong vũ trụ sơ khai, nóng hơn nhiều so với các đám mây hiện đại, không thể dễ dàng ngưng tụ và do đó kém hiệu quả hơn trong việc hình thành sao. Thay vào đó, toàn bộ đám mây sẽ sụp đổ thành một ngôi sao khổng lồ duy nhất.

Tỷ lệ khổng lồ của chúng có nghĩa là các ngôi sao tồn tại trong thời gian ngắn, kéo dài nhiều nhất là vài triệu năm. (Các ngôi sao khối lượng lớn hơn đốt cháy nhiên liệu sẵn có của chúng nhanh hơn.) Như vậy, các ngôi sao Quần thể III sẽ không tồn tại lâu trong lịch sử vũ trụ - có lẽ là vài trăm triệu năm khi các túi khí nguyên thủy cuối cùng tan biến.

Có rất nhiều điều không chắc chắn. Những ngôi sao này thực sự lớn đến mức nào? Chúng tồn tại muộn thế nào trong vũ trụ? Và chúng phong phú như thế nào trong vũ trụ sơ khai? “Chúng là những ngôi sao hoàn toàn khác với những ngôi sao trong thiên hà của chúng ta,” Bowler nói. "Chúng chỉ là những đồ vật thú vị như vậy."

Vì chúng ở rất xa và tồn tại quá ngắn nên việc tìm kiếm bằng chứng về chúng là một thách thức. Tuy nhiên, vào năm 1999, các nhà thiên văn học tại Đại học Colorado, Boulder đã dự đoán rằng các ngôi sao sẽ tạo ra một chữ ký kể chuyện: tần số cụ thể của ánh sáng từ helium-2. Dạng helium không ổn định này chỉ chứa hai proton trong hạt nhân của nó, trong khi helium thông thường cũng có hai neutron. James Trussler, nhà thiên văn học tại Đại học Manchester, giải thích: “Sự phát thải helium không thực sự bắt nguồn từ bên trong các ngôi sao; đúng hơn, nó được tạo ra khi các photon mang năng lượng từ bề mặt nóng của các ngôi sao lao vào khí xung quanh ngôi sao.

“Đó là một dự đoán tương đối đơn giản,” Daniel Schaerer của Đại học Geneva, người cho biết. mở rộng ý tưởng vào năm 2002. Cuộc săn bắt đầu. 

Tìm kiếm những ngôi sao đầu tiên

Vào năm 2015, Schaerer và các đồng nghiệp của ông nghĩ rằng họ có thể đã tìm thấy điều gì đó. Họ phát hiện một gợi ý có thể về dấu hiệu helium-2 trong một thiên hà nguyên thủy xa xôi có thể được liên kết với một nhóm sao thuộc Nhóm III. Được nhìn thấy khi nó xuất hiện 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn, thiên hà trông như thể nó chứa đựng bằng chứng đầu tiên về những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ.

Công việc sau đó do Bowler lãnh đạo tranh chấp những phát hiện. “Chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng về sự phát thải oxy từ nguồn. Điều đó loại trừ một kịch bản Dân số III thuần túy,” cô nói. Một nhóm độc lập sau đó không phát hiện được dòng helium-2 được nhìn thấy bởi đội ban đầu. “Nó không có ở đó,” Bowler nói.

Những người khác có thể giá vé tốt hơn?

Nhà thiên văn học đặt hy vọng của họ vào JWST, được phóng vào tháng 2021 năm 2. Kính thiên văn, với tấm gương khổng lồ và độ nhạy chưa từng có với ánh sáng hồng ngoại, có thể nhìn vào vũ trụ sơ khai dễ dàng hơn bất kỳ kính viễn vọng nào trước nó. (Vì ánh sáng cần có thời gian để truyền đến đây nên kính thiên văn sẽ nhìn thấy những vật thể mờ, ở xa khi chúng xuất hiện từ lâu.) Kính thiên văn cũng có thể thực hiện quang phổ, chia ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó, cho phép nó tìm kiếm dấu hiệu helium-XNUMX của Quần thể sao III.

Nhóm của Wang đã phân tích dữ liệu quang phổ của hơn 2,000 mục tiêu của JWST. Một là thiên hà xa xôi được nhìn thấy khi nó xuất hiện chỉ 620 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Theo các nhà nghiên cứu, thiên hà được chia thành hai phần. Phân tích của họ cho thấy một nửa dường như có dấu hiệu quan trọng của helium-2 trộn lẫn với ánh sáng từ các nguyên tố khác, có khả năng chỉ ra một quần thể lai gồm hàng nghìn Quần thể III và các ngôi sao khác. Quang phổ của nửa sau của thiên hà vẫn chưa được thực hiện, nhưng độ sáng của nó cho thấy môi trường có nhiều Dân số III hơn.

“Chúng tôi đang cố gắng đăng ký thời gian quan sát cho JWST trong chu kỳ tiếp theo để bao phủ toàn bộ thiên hà,” Wang nói, để “có cơ hội xác nhận những vật thể như vậy.”

Theo Norman, thiên hà này là một “kẻ gây đau đầu”. Ông nói, nếu kết quả helium-2 được xem xét kỹ lưỡng thì “một khả năng là một cụm sao thuộc Nhóm sao III”. Tuy nhiên, ông không chắc liệu các ngôi sao thuộc Nhóm III và các ngôi sao sau này có thể kết hợp với nhau dễ dàng như vậy hay không.

Daniel Whalen, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Portsmouth, cũng thận trọng tương tự. “Nó chắc chắn có thể là bằng chứng về sự kết hợp của các ngôi sao thuộc Nhóm III và Nhóm II trong một thiên hà,” ông nói. Tuy nhiên, mặc dù đây sẽ là “bằng chứng trực tiếp đầu tiên” về những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ, nhưng Whalen nói, “đó không phải là bằng chứng rõ ràng”. Các vật thể vũ trụ nóng bỏng khác có thể tạo ra dấu hiệu tương tự của helium-2, bao gồm cả các đĩa vật chất nóng bỏng xoay quanh các lỗ đen.

Wang cho rằng nhóm của ông có thể loại trừ lỗ đen là nguồn gốc vì họ không phát hiện ra các dấu hiệu cụ thể của oxy, nitơ hoặc carbon bị ion hóa có thể xảy ra trong trường hợp đó. Tuy nhiên, công việc vẫn đang chờ đánh giá ngang hàng, và thậm chí sau đó, các quan sát tiếp theo sẽ cần phải xác nhận những phát hiện tiềm năng của nó.

Nóng trên đường mòn

Các nhóm khác sử dụng JWST cũng đang săn lùng những ngôi sao đầu tiên.

Bên cạnh việc tìm kiếm helium-2, một phương pháp tìm kiếm khác do nhà thiên văn học Rogier Windhorst của Đại học bang Arizona và các đồng nghiệp đề xuất vào năm 2018 là tìm kiếm helium-XNUMX. sử dụng trọng lực các cụm thiên hà khổng lồ để quan sát các ngôi sao riêng lẻ trong vũ trụ sơ khai. Sử dụng một vật thể khối lượng lớn như một cụm để làm cong ánh sáng và phóng đại các vật thể ở xa hơn (một kỹ thuật được gọi là thấu kính hấp dẫn) là một cách phổ biến mà các nhà thiên văn học thu được hình ảnh của các thiên hà ở xa. Windhorst tin rằng ngay cả những ngôi sao Quần thể III riêng lẻ tiến gần đến rìa của một cụm sao nặng “về nguyên tắc cũng có thể trải qua độ phóng đại gần như vô hạn” và xuất hiện trong tầm nhìn, ông nói.

Windhorst dẫn đầu một chương trình JWST đó là thử kỹ thuật. “Tôi khá tự tin rằng trong một hoặc hai năm nữa, chúng ta sẽ thấy một số,” anh ấy nói. “Chúng tôi đã có một số ứng cử viên.” Tương tự, Eros Vanzella, một nhà thiên văn học tại Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia ở Ý, là dẫn chương trình đó là nghiên cứu một cụm gồm 10 hoặc 20 ứng cử viên Dân số III sao sử dụng thấu kính hấp dẫn. Ông nói: “Hiện tại chúng tôi chỉ đang chơi với dữ liệu.

Và vẫn còn khả năng trêu ngươi rằng một số thiên hà sáng bất ngờ đã được JWST nhìn thấy trong vũ trụ sơ khai có thể nhờ độ sáng của chúng đối với các ngôi sao Quần thể III khổng lồ. Vanzella nói: “Đây chính xác là những kỷ nguyên mà chúng tôi mong đợi những ngôi sao đầu tiên đang hình thành. “Tôi hy vọng… rằng trong vài tuần hoặc vài tháng tới, những ngôi sao đầu tiên sẽ được phát hiện.”