Astronomët thonë se kanë parë yjet e parë të Universit

Një grup astronomësh që hulumtojnë të dhëna nga teleskopi hapësinor James Webb (JWST) kanë parë dritën e heliumit të jonizuar në një galaktikë të largët, e cila mund të tregojë praninë e gjeneratës së parë të yjeve të universit.

Këta yje të kërkuar prej kohësh, të quajtur në mënyrë të papërshtatshme “Popullsia III” do të kishin qenë topa gjigantë me hidrogjen dhe helium të skalitur nga gazi primordial i universit. Teoricienët filluan të imagjinonin këto topa zjarri të parë në vitet 1970, duke hipotezuar se, pas jetësh të shkurtra, ato shpërthyen si supernova, duke farkëtuar elementë më të rëndë dhe duke i hedhur në kozmos. Kjo lëndë yjesh më vonë krijoi yje të Popullatës II më të bollshme në elementë të rëndë, pastaj yje edhe më të pasur të Popullsisë I si dielli ynë, si dhe planetët, asteroidet, kometat dhe përfundimisht vetë jeta.

“Ne ekzistojmë, prandaj e dimë se duhet të ketë pasur një brez të parë yjesh,” tha Rebecca Bowler, një astronom në Universitetin e Mançesterit në Mbretërinë e Bashkuar.

Tani Xin Wang, një astronom në Akademinë Kineze të Shkencave në Pekin, dhe kolegët e tij mendojnë se i kanë gjetur. “Është vërtet surreale,” tha Wang. Konfirmimi është ende i nevojshëm; Punimi i ekipit, i postuar në serverin preprint arxiv.org më 8 dhjetor, është në pritje të rishikimit nga kolegët në Nature.

Edhe nëse studiuesit e kanë gabim, një zbulim më bindës i yjeve të parë mund të mos jetë larg. JWST, i cili po transformon pjesë të mëdha të astronomisë, mendohet se është i aftë të shikojë mjaft larg në hapësirë dhe kohë për t’i parë ato. Tashmë, teleskopi gjigant lundrues ka zbuluar galaktika të largëta, shkëlqimi i pazakontë i të cilave sugjeron se ato mund të përmbajnë yje të Popullatës III. Dhe grupe të tjera kërkimore që konkurrojnë për të zbuluar yjet me JWST po analizojnë të dhënat e tyre tani. “Kjo është absolutisht një nga pyetjet më të nxehta”, tha Mike Norman, një fizikant në Universitetin e Kalifornisë, San Diego, i cili studion yjet në simulimet kompjuterike.

Një zbulim përfundimtar do t’i lejonte astronomët të fillonin të hetonin madhësinë dhe pamjen e yjeve, kur ato ekzistonin dhe se si, në errësirën fillestare, ata u ndezën papritmas.

“Është me të vërtetë një nga ndryshimet më thelbësore në historinë e universit,” tha Bowler.

Rreth 400,000 vjet pas Big Bengut, elektronet, protonet dhe neutronet u vendosën mjaftueshëm për t’u bashkuar në atomet e hidrogjenit dhe heliumit. Ndërsa temperatura vazhdonte të binte, materia e errët gradualisht u grumbullua, duke tërhequr atomet me vete. Brenda grumbujve, hidrogjeni dhe heliumi u shtypën nga graviteti, duke u kondensuar në topa të mëdhenj gazi derisa, pasi topat ishin mjaft të dendur, shkrirja bërthamore u ndez papritmas në qendrat e tyre. U lindën yjet e parë.

Astronomi gjerman Walter Baade i kategorizoi yjet në galaktikën tonë në tipet I dhe II në vitin 1944. I pari përfshin diellin tonë dhe yje të tjerë të pasur me metal; kjo e fundit përmban yje më të vjetër të bërë nga elementë më të lehtë. Ideja e yjeve të Popullsisë III hyri në letërsi dekada më vonë. Në një punim të vitit 1984 që ngriti profilin e tyre, astrofizikani britanik Bernard Carr përshkroi rolin jetik që kjo racë origjinale e yjeve mund të ketë luajtur në universin e hershëm. “Nxehtësia ose shpërthimet e tyre mund të kishin rijonizuar universin,” shkruan Carr dhe kolegët e tij, “…dhe rendimenti i tyre i elementeve të rënda mund të kishte prodhuar një shpërthim të pasurimit pregalaktik”, duke krijuar yje të mëvonshëm më të pasur me elementë më të rëndë.

Carr dhe bashkautorët e tij vlerësuan se yjet mund të ishin rritur në përmasa të mëdha, duke matur diku midis disa qindra dhe 100,000 herë më masiv se dielli ynë, për shkak të vëllimit të madh të hidrogjenit dhe gazit helium të disponueshëm në universin e hershëm.

Ata në skajin më të rëndë të gamës, të ashtuquajturit yje supermasive, do të kishin qenë relativisht të ftohtë, të kuq dhe të fryrë, me përmasa që mund të përfshinin pothuajse të gjithë sistemin tonë diellor. Variantet më të dendura, me përmasa më modeste të yjeve të Popullatës III do të shkëlqenin blu të nxehtë, me temperatura sipërfaqësore prej rreth 50,000 gradë Celsius, krahasuar me vetëm 5,500 gradë për diellin tonë.

Në vitin 2001, simulimet kompjuterike të udhëhequra nga Norman shpjeguan se si mund të formoheshin yje kaq të mëdhenj. Në universin aktual, retë e gazit copëtohen në shumë yje të vegjël. Por simulimet treguan se retë e gazit në universin e hershëm, duke qenë shumë më të nxehta se retë moderne, nuk mund të kondensoheshin aq lehtë dhe për këtë arsye ishin më pak efikase në formimin e yjeve. Në vend të kësaj, re të tëra do të shemben në një yll të vetëm, gjigant.

Përmasat e tyre të mëdha nënkuptonin që yjet ishin jetëshkurtër, duke zgjatur më së shumti disa milionë vjet. (Yjet më masivë digjen më shpejt përmes karburantit të tyre të disponueshëm.) Si të tillë, yjet e Popullatës III nuk do të kishin zgjatur shumë në historinë e universit – ndoshta disa qindra milionë vjet kur xhepat e fundit të gazit primordial u shpërndanë.

Ka shumë paqartësi. Sa masivë u bënë vërtet këta yje? Sa vonë në univers ekzistonin ata? Dhe sa të bollshme ishin ato në universin e hershëm? “Ata janë yje krejtësisht të ndryshëm nga yjet në galaktikën tonë,” tha Bowler. “Ato janë thjesht objekte kaq interesante.”

Për shkak se ata janë shumë larg dhe kanë ekzistuar kaq shkurt, gjetja e provave për ta ka qenë një sfidë. Megjithatë, në vitin 1999, astronomët në Universitetin e Kolorados, Boulder parashikuan se yjet duhet të prodhojnë një nënshkrim tregues: frekuenca specifike të dritës të emetuara nga heliumi II, ose atomet e heliumit që u mungon një elektron, kur elektroni i mbetur i secilit atom lëviz midis niveleve të energjisë. . “Emetimi i heliumit nuk e ka origjinën nga vetë yjet”, shpjegoi James Trussler, një astronom në Universitetin e Mançesterit; përkundrazi, u krijua kur fotonet energjike nga sipërfaqet e nxehta të yjeve u futën në gaz që rrethonte yllin.

“Është një parashikim relativisht i thjeshtë,” tha Daniel Schaerer nga Universiteti i Gjenevës, i cili e zgjeroi idenë në vitin 2002. Gjuetia ishte në vazhdim.

Në vitin 2015, Schaerer dhe kolegët e tij menduan se mund të kishin gjetur diçka. Ata zbuluan një aluzion të mundshëm të një nënshkrimi të heliumit II në një galaktikë të largët, primitive që mund të ishte lidhur me një grup yjesh të Popullatës III. E parë siç u shfaq 800 milionë vjet pas Big Bengut, galaktika dukej sikur mund të përmbante provat e para të yjeve të parë në univers.

Puna e mëvonshme e udhëhequr nga Bowler kundërshtoi gjetjet. “Ne gjetëm prova për emetimin e oksigjenit nga burimi. Kjo përjashtoi një skenar të pastër të Popullsisë III, “tha ajo. Një grup i pavarur më pas nuk arriti të zbulojë linjën e heliumit II të parë nga ekipi fillestar. “Nuk ishte aty,” tha Bowler.

A mund të kalonin të tjerët më mirë?

Astronomët i varën shpresat te JWST, i cili u lançua në dhjetor 2021. Teleskopi, me pasqyrën e tij të madhe dhe ndjeshmërinë e paparë ndaj dritës infra të kuqe, mund të shikojë më lehtë në universin e hershëm se çdo teleskop para tij. (Për shkak se drita kërkon kohë për të udhëtuar këtu, teleskopi sheh objekte të zbehta dhe të largëta siç janë shfaqur shumë kohë më parë.) Teleskopi gjithashtu mund të bëjë spektroskopi, duke e ndarë dritën në gjatësitë e valëve përbërëse të tij, gjë që e lejon atë të kërkojë shenjën dalluese të heliumit II të Popullsisë. yjet III.

Ekipi i Wang analizoi të dhënat e spektroskopisë për më shumë se 2000 objektiva të JWST. Njëra është një galaktikë e largët e parë siç u shfaq vetëm 620 milionë vjet pas Big Bengut. Sipas studiuesve, galaktika është e ndarë në dy pjesë. Analiza e tyre tregoi se gjysma duket se ka nënshkrimin kryesor të heliumit II të përzier me dritën e elementeve të tjerë, duke treguar potencialisht një popullsi hibride prej mijëra Popullsisë III dhe yjeve të tjerë. Spektroskopia e gjysmës së dytë të galaktikës ende nuk është bërë, por shkëlqimi i saj lë të kuptohet për një mjedis më të pasur me Popullsinë III.

“Ne po përpiqemi të aplikojmë për kohën e vëzhgimit për JWST në ciklin e ardhshëm për të mbuluar të gjithë galaktikën,” tha Wang, në mënyrë që “të kemi një fotografi të konfirmimit të objekteve të tilla”.

Galaktika është një “gërvishtëse e kokës”, sipas Norman. Nëse rezultatet e heliumit II qëndrojnë para shqyrtimit, tha ai, “një mundësi është një grup yjesh të Popullatës III”. Megjithatë, ai nuk është i sigurt nëse yjet e Popullatës III dhe yjet e mëvonshëm mund të përzihen kaq lehtë.

Daniel Whalen, një astrofizikan në Universitetin e Portsmouth, ishte po aq i kujdesshëm. “Padyshim që mund të jetë dëshmi e një përzierjeje të yjeve të Popullsisë III dhe Popullsisë II në një galaktikë,” tha ai. Megjithatë, megjithëse kjo do të ishte “prova e parë e drejtpërdrejtë” e yjeve të parë të universit, Whalen tha, “kjo nuk është provë e pastër”. Objekte të tjera të nxehta kozmike me tubacione mund të prodhojnë një nënshkrim të ngjashëm me helium II, duke përfshirë disqe djegëse të materialit që rrotullohen rreth vrimave të zeza.

Wang mendon se ekipi i tij mund të përjashtojë një vrimë të zezë si burim, sepse ata nuk zbuluan nënshkrime specifike të oksigjenit, azotit ose karbonit të jonizuar që do të pritej në atë rast. Megjithatë, puna ende pret rishikimin e kolegëve, dhe madje edhe atëherë, vëzhgimet vijuese do të duhet të konfirmojnë gjetjet e saj të mundshme.

Përveç kërkimit të heliumit II, një metodë tjetër kërkimi, e propozuar nga astronomi Rogier Windhorst i Universitetit Shtetëror të Arizonës dhe kolegët në vitin 2018, është përdorimi i gravitetit të grupimeve gjigante të galaktikave për të parë yje individualë në universin e hershëm. Përdorimi i një objekti masiv si një grumbull për të shtrembëruar dritën dhe për të zmadhuar objekte më të largëta (një teknikë e njohur si lente gravitacionale) është një mënyrë e zakonshme që astronomët marrin pamje të galaktikave të largëta. Windhorst besonte se edhe yjet individualë të Popullsisë III që i afrohen skajit të një grupi të rëndë “në parim mund t’i nënshtrohen zmadhimit pothuajse të pafund” dhe të shfaqen, tha ai.

Windhorst drejton një program JWST që po provon teknikën. “Jam shumë i sigurt se brenda një apo dy viti do të kemi parë disa,” tha ai. “Ne tashmë kemi disa kandidatë.” Në mënyrë të ngjashme, Eros Vanzella, një astronom në Institutin Kombëtar për Astrofizikën në Itali, po drejton një program që po studion një grumbull prej 10 ose 20 yje kandidatë të Popullatës III duke përdorur lente gravitacionale. “Ne thjesht po luajmë me të dhënat tani,” tha ai.

Dhe ekziston mundësia joshëse që disa nga galaktikat e papritura të shndritshme që tashmë janë parë nga JWST në universin e hershëm, mund t’ia detyrojnë shkëlqimin e tyre yjeve masive të Popullatës III. “Këto janë pikërisht epokat ku ne presim që yjet e parë të formohen,” tha Vanzella. “Shpresoj se në javët apo muajt e ardhshëm do të zbulohen yjet e parë.”