A csillagászok azt mondják, hogy észrevették az Univerzum első csillagait

Csillagászok egy csoportja, akik a James Webb Űrteleszkóp (JWST) adatait kutatják, egy távoli galaxisban ionizált héliumból származó fényt pillantottak meg, ami a világegyetem legelső csillaggenerációjának jelenlétére utalhat.

Ezek a régóta keresett, „III. népesség” elnevezésű csillagok óriási hidrogén- és héliumgömbök lettek volna, amelyeket az univerzum ősgázából faragtak. A teoretikusok az 1970-es években kezdték elképzelni ezeket az első tűzgolyókat, és azt feltételezték, hogy rövid élettartamuk után szupernóvaként robbantak fel, nehezebb elemeket kovácsolva a kozmoszba. Ebből a csillaganyagból később a nehéz elemekben bővelkedő II. Population csillagok, majd a még gazdagabb I. populációba tartozó csillagok, például a mi Napunk, valamint bolygók, aszteroidák, üstökösök és végül maga az élet is létrejött.

„Létezünk, ezért tudjuk, hogy létezhetett a sztárok első generációja” – mondta Rebecca Bowler, az Egyesült Királyság Manchesteri Egyetemének csillagásza.

Most Xin Wang, a pekingi Kínai Tudományos Akadémia csillagásza és kollégái úgy gondolják, hogy megtalálták őket. „Ez igazán szürreális” – mondta Wang. Még mindig szükség van megerősítésre; a csapat papírja, közzétéve az arxiv.org nyomtatás előtti szerveren december 8-án várja a szakértői értékelést a címen Természet.

Még ha a kutatók tévednek is, az első csillagok meggyőzőbb észlelése már nem lehet messze. JWST, ami a csillagászat hatalmas területeit átalakítva, úgy gondolják, hogy elég messzire néz térben és időben ahhoz, hogy lássa őket. A gigantikus lebegő teleszkóp már észlelte a távoli galaxisokat, amelyek szokatlanok fényesség azt sugallja, hogy III. populációba tartozó csillagokat tartalmazhatnak. Más kutatócsoportok pedig, amelyek a JWST segítségével a csillagok felfedezéséért küzdenek, most elemzik saját adataikat. „Ez az egyik legforróbb kérdés” – mondta Mike Norman, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem fizikusa, aki számítógépes szimulációkban tanulmányozza a csillagokat.

Egy végleges felfedezés lehetővé tenné a csillagászok számára, hogy megvizsgálják a csillagok méretét és megjelenését, hogy mikor léteztek, és hogyan világítottak ki hirtelen az őssötétben.

„Ez valóban az egyik legalapvetőbb változás az univerzum történetében” – mondta Bowler.

Népesség III

Körülbelül 400,000 XNUMX évvel az Ősrobbanás után az elektronok, protonok és neutronok eléggé leülepedtek ahhoz, hogy hidrogén- és héliumatommá egyesüljenek. Ahogy a hőmérséklet folyamatosan csökkent, a sötét anyag fokozatosan összetapadt, magával húzva az atomokat. A csomók belsejében a hidrogén és a hélium a gravitáció hatására összenyomódott, és hatalmas gázgömbökké kondenzálódott, mígnem amint a golyók elég sűrűek lettek, a magfúzió hirtelen meggyulladt a központjukban. Megszülettek az első csillagok.

Walter Baade német csillagász kategorizált a galaxisunkban lévő csillagok I. és II. típusba sorolhatók 1944-ben. Az előbbibe a napunk és más fémekben gazdag csillagok tartoznak; ez utóbbi világosabb elemekből készült régebbi csillagokat tartalmaz. A Population III csillagok ötlete évtizedekkel később került be az irodalomba. Bernard Carr brit asztrofizikus egy 1984-es tanulmányban, amely növelte a profiljukat leírta a létfontosságú szerepet ez az eredeti fajta csillag játszhatott a korai univerzumban. „Hőjük vagy robbanásaik újra ionizálhatták volna az univerzumot” – írták Carr és kollégái – „...a nehézelem-hozamuk pedig a galaktikus előtti dúsulás kitörését eredményezhette volna, ami későbbi, nehezebb elemekkel gazdagabb csillagokat eredményezett.

Carr és szerzőtársai úgy becsülték, hogy a csillagok hatalmas méretűre nőhettek, a napunknál néhány száz-százezerszer nagyobb tömegűek a korai univerzumban rendelkezésre álló nagy mennyiségű hidrogén és hélium miatt.

A tartomány nehezebb végén lévők, az úgynevezett szupermasszív csillagok viszonylag hűvösek, vörösek és dagadtak lettek volna, méretük pedig szinte az egész naprendszerünket lefedhette volna. A III. populáció csillagainak sűrűbb, szerényebb méretű változatai kéken, forrón ragyogtak volna, felszíni hőmérsékletük körülbelül 50,000 5,500 Celsius-fok, míg a mi napunk esetében mindössze XNUMX fok.

2001-ben a Norman által vezetett számítógépes szimulációk kifejtették hogyan keletkezhettek ekkora csillagok. A jelenlegi univerzumban a gázfelhők sok kis csillagra töredeznek. A szimulációk azonban azt mutatták, hogy a korai univerzumban a gázfelhők, amelyek sokkal melegebbek voltak, mint a modern felhők, nem tudtak olyan könnyen lecsapódni, és ezért kevésbé hatékonyak a csillagkeletkezésben. Ehelyett egész felhők omlanak össze egyetlen, óriási csillaggá.

Hatalmas arányuk azt jelentette, hogy a csillagok rövid életűek voltak, legfeljebb néhány millió évig éltek. (A tömegesebb csillagok gyorsabban égetik el a rendelkezésre álló tüzelőanyagot.) Mint ilyenek, a III. populációba tartozó csillagok nem tartottak volna sokáig az univerzum történetében – talán néhány százmillió évig, amikor az ősgáz utolsó zsebei eloszlottak.

Sok a bizonytalanság. Milyen masszívak lettek valójában ezek a csillagok? Milyen későn léteztek az univerzumban? És milyen bőségesek voltak a korai univerzumban? „Teljesen más csillagok, mint a mi galaxisunk csillagai” – mondta Bowler. – Olyan érdekes tárgyak ezek.

Mivel olyan távol vannak, és olyan rövid ideig léteztek, nehéz volt bizonyítékot találni rájuk. 1999-ben azonban a Colorado Egyetem Boulder csillagászai azt jósolták, hogy a csillagoknak árulkodó aláírást készíteni: a hélium II vagy az elektron hiányzó héliumatomok által kibocsátott fény meghatározott frekvenciái, amikor az egyes atomok maradék elektronja energiaszintek között ugrik. "A héliumkibocsátás valójában nem magukból a csillagokból ered" - magyarázta James Trussler, a Manchesteri Egyetem csillagásza; inkább akkor jött létre, amikor a csillagok forró felületéről származó energikus fotonok a csillagot körülvevő gázokká csapódtak.

„Ez egy viszonylag egyszerű jóslat” – mondta Daniel Schaerer, a Genfi Egyetem munkatársa 2002-ben bővítette az ötletet. A vadászat folyt. 

Az első csillagok megtalálása

2015-ben Schaerer és kollégái úgy gondolták, hogy találtak valamit. Ők lehetséges utalást észlelt egy hélium II-es aláírásról egy távoli, primitív galaxisban, amely kapcsolatba hozható a III. populáció csillagainak csoportjával. 800 millió évvel az Ősrobbanás után a galaxis úgy nézett ki, mintha az első bizonyítékot tartalmazná a világegyetem első csillagairól.

Későbbi munka Bowler vezetésével vitatta a megállapításokat. „Bizonyítékot találtunk a forrás oxigénkibocsátására. Ez kizárta a tiszta Population III forgatókönyvet” – mondta. Akkor egy független csoport nem sikerült észlelni a hélium II vonalat látta a kezdeti csapat. – Nem volt ott – mondta Bowler.

Mások járhatnának jobban?

A csillagászok reményeiket a JWST-hez fűztékA teleszkóp hatalmas tükrével és példátlan infravörös fényérzékenységével könnyebben tud bepillantani a korai univerzumba, mint bármely előtte lévő távcső. (Mivel itt a fénynek időbe telik az utazása, a teleszkóp a halvány, távoli objektumokat úgy látja, ahogyan régen megjelentek.) A távcső spektroszkópiára is képes, a fényt komponens hullámhosszaira bontja, ami lehetővé teszi, hogy megkeresse a népesség hélium II-es jellemzőjét. III csillagok.

Wang csapata a JWST több mint 2,000 célpontjának spektroszkópiai adatait elemezte. Az egyik egy távoli galaxis, amely alig 620 millió évvel az Ősrobbanás után jelent meg. A kutatók szerint a galaxis két részre szakadt. Elemzésük kimutatta, hogy úgy tűnik, hogy az egyik felében a hélium II kulcsfontosságú jellemzői keverednek más elemek fényével, ami potenciálisan a III. populációból és más csillagokból álló több ezer hibrid populációra utal. A galaxis második felének spektroszkópiáját még el kell végezni, de fényereje a III. populációban gazdagabb környezetre utal.

"Megpróbálunk megfigyelési időt kérni a következő ciklusban a JWST számára, hogy lefedje az egész galaxist" - mondta Wang, hogy "egy lövésünk legyen az ilyen objektumok megerősítéséről".

Norman szerint a galaxis „fejvakaró”. Ha a hélium II-es eredmények kiállják a vizsgálatot, az egyik lehetőség a III. populáció csillagainak halmaza. Azonban nem biztos abban, hogy a Population III sztárjai és a későbbi sztárok ilyen könnyen keveredhetnek-e.

Daniel Whalen, a Portsmouthi Egyetem asztrofizikusa is hasonlóan óvatos volt. „Határozottan bizonyítéka lehet a III. és II. populációba tartozó csillagok keverékének egy galaxisban” – mondta. Bár ez lenne az „első közvetlen bizonyíték” az univerzum első csillagaira, Whalen szerint „ez nem tiszta bizonyíték”. Más, forró kozmikus objektumok is hasonló hélium II-jelet produkálhatnak, beleértve a perzselő anyagkorongokat, amelyek a fekete lyukak körül kavarognak.

Wang úgy gondolja, hogy csapata kizárhatja a fekete lyuk forrását, mert nem észleltek olyan specifikus oxigén-, nitrogén- vagy ionizált szén-jeleket, amelyek ebben az esetben várhatóak lennének. A munka azonban továbbra is szakértői értékelésre vár, és még akkor is nyomon követési megfigyeléseknek kell megerősíteniük a lehetséges megállapításokat.

Forró az ösvényen

Más, JWST-t használó csoportok is az első csillagokra vadásznak.

A hélium II keresése mellett egy másik keresési módszer, amelyet Rogier Windhorst, az Arizonai Állami Egyetem csillagásza és munkatársai javasoltak 2018-ban, az használja a gravitációt óriás galaxishalmazokat, hogy lássunk egyes csillagokat a korai univerzumban. Egy nagy tömegű objektum, például halmaz használata a fény elvetemítésére és a távolabbi objektumok felnagyítására (a gravitációs lencsék néven ismert technika) a csillagászok általános módja a távoli galaxisok képeinek megszerzésére. Windhorst úgy gondolta, hogy még az egyes III. populációba tartozó csillagok is, amelyek egy nehéz halmaz széléhez közelednek, „elvileg szinte végtelen nagyításon eshetnek át”, és megjelenhetnek a látómezőben – mondta.

Windhorst egy JWST programot vezet kipróbálva a technikát. „Biztos vagyok benne, hogy egy-két éven belül látni fogunk néhányat” – mondta. – Már van néhány jelöltünk. Hasonlóképpen, Eros Vanzella, az olaszországi Nemzeti Asztrofizikai Intézet csillagásza is program vezetése ez egy 10 vagy 20 jelölt Population III-csillag csoportját tanulmányozza gravitációs lencsék segítségével. „Most csak játszunk az adatokkal” – mondta.

És továbbra is fennáll az a csábító lehetőség, hogy néhány váratlanul fényes galaxisok amelyeket a JWST már a korai univerzumban is látott, fényességüket a hatalmas III. populációjú csillagoknak köszönhetik. "Pontosan ezekben a korszakokban számítunk az első csillagok kialakulására" - mondta Vanzella. "Remélem… hogy a következő hetekben vagy hónapokban észlelni fogják az első csillagokat."

Javítás: Január 30, 2023
A cikk eredeti változata a hélium II-t, az ionizált héliumatomokat, amelyek emissziós vonalai a III. populáció csillagait jelenthetik, és a hélium-2-t, a hélium ritka, neutronokat nem tartalmazó izotópját keverték össze. Sajnáljuk a hibát.