A James Webb űrteleszkóp (JWST) adatait elemző csillagászok egy csoportja egy távoli galaxisban ionizált héliumot azonosított, ami az univerzum legelső csillaggenerációjának jelenlétére utalhat. Ezek a régóta keresett, úgynevezett III. populációs csillagok óriási hidrogén- és héliumgömbök lehettek, amelyek az univerzum ősi gázanyagából alakultak ki. A teoretikusok először az 1970-es években kezdték felvázolni, hogyan nézhettek ki ezek az első tűzgömbök.
A szakértők azt feltételezték, hogy a korai csillagok rövid életet éltek, és utána szupernóvaként felrobbantak, a bennük képződött nehezebb elemeket szétszórva a kozmoszban. Ebből a csillaganyagból később nehéz elemekben gazdagabb II. populációs csillagok, majd még gazdagabb I. populációs csillagok jöttek létre, köztük a mi Napunk is. Valamint ebből az I. populációs anyagból képződtek a mai bolygók, aszteroidák, üstökösök és végül maga az élet is.
Most Hszin Vang, a Kínai Tudományos Akadémia csillagásza és kollégái úgy gondolják, hogy nyomára akadtak a III. populációs csillagoknak. A megerősítés ugyanakkor még várat magára; a csapat december 8-án az arxiv.org nevű preprint szerveren tette közzé tanulmányát, amely a Nature lektorainak véleményére vár.
Azonban még ha a kínai kutatók esetleg tévednek is, az első csillagok meggyőző észlelése sokak szerint nem lehet túlságosan messze. A JWST, amely alapjaiban formálja át a csillagászatot, vélhetően képes elég messzire tekinteni térben és időben ahhoz, hogy meglássa őket. A gigantikus űrteleszkóp már korábban is észlelt olyan távoli galaxisokat, amelyek szokatlan fényessége arra utal, hogy III. populációs csillagokat tartalmazhatnak. Más kutatócsoportok pedig, amelyek ezen csillagok való felfedezéséért versengenek, jelenleg is elemzik saját adataikat.
A III. populáció igazolt felfedezése nagyot lendítene a kozmológián, hiszen ezáltal olyan égitesteket tanulmányozhatnának, amelyek az univerzum hajnalán gyúltak ki.
„Ez volt az egyik legalapvetőbb változás az univerzum történetében”
– mondja Rebecca Bowler, a Manchesteri Egyetem csillagásza.
A III. populáció
Körülbelül 400 ezer évvel az ősrobbanás után az elektronok, protonok és neutronok eléggé lelassultak ahhoz, hogy hidrogén- és héliumatomokká egyesüljenek. Ahogy a hőmérséklet egyre csökkent, a sötét anyag fokozatosan összecsomósodott, magával rántva az atomokat. A csomók belsejében a hidrogént és a héliumot a gravitáció összenyomta, míg az elemek hatalmas gázgömbökké sűrűsödtek, amelyek egy ponton elég sűrűvé váltak ahhoz, hogy bennük beinduljon a magfúzió. Így születtek meg az első csillagok.
Walter Baade német csillagász 1944-ben két különböző típusba sorolta a galaxisunkban található csillagokat.
Az I. típusba azok kerültek, amelyek a mi Napunkhoz hasonlóan fémekben gazdagok, míg a II. típusba a könnyebb elemekből álló idősebb csillagok sorolódtak.
A III. populációs csillagok gondolata csak évtizedekkel később vált ismertté. Ebben kulcsszerepet játszott Bernard Carr brit asztrofizikus 1984-ben megjelent tanulmánya, amely szerint a csillagok ezen fajtája nagyon fontos szerepet játszhatott a korai világegyetemben. „Hőjük vagy robbanásaik újraionizálhatták a világegyetemet és nehézelem-termelésükkel ugrásszerűen dúsították a pregalaktikus kozmoszt” – írták a szerzők, ami – ahogy megjegyzik – a későbbi, nehezebb elemekben gazdagabb csillagok kialakulását eredményezte.
Carr és szerzőtársai úgy becsülték, hogy a korai csillagok hatalmas méretűek lehettek, néhány száz naptömegtől és akár 100 ezer naptömegig is terjedhetett a tömegük, mivel a korai világegyetemben nagy mennyiségű hidrogén- és héliumgáz állt rendelkezésre. A tartomány nehezebb végén elhelyezkedő, úgynevezett szupernehéz csillagok viszonylag hűvösek, vörösek és felfúvódottak lehettek, és méretük majdnem az egész Naprendszerünket felölelhette. A III. populációs csillagok sűrűbb, szerényebb méretű változatai kékesen és forrón, mintegy 50 ezer °C-on ragyoghattak, szemben a Nap mindössze 5500 °C-os hőmérsékletével.
Mike Norman, a Kaliforniai Egyetem fizikusa és társai 2001-ben számítógépes szimulációkkal megmagyarázták, hogyan alakulhattak ki ilyen nagy méretű csillagok. A jelenlegi világegyetemben a gázfelhők kisebbre vannak töredezve, így kisebb csillagokká fejlődnek. A szimulációk ugyanakkor azt mutatták, hogy a korai világegyetemben a mai felhőknél sokkal forróbb és nagyobb gázfelhők nem tudtak olyan könnyen összesűrűsödni, és ezért kevésbé volt hatékony bennük a csillagkeletkezés.
Ehelyett egy-egy gigantikus felhő omlott össze egyetlen óriáscsillaggá.
Hatalmas méreteik miatt a csillagok rövid életűek voltak, legfeljebb néhány millió évig léteztek. (A nagyobb tömegű csillagok napjainkban is gyorsabban égetik el a rendelkezésükre álló üzemanyagot.) Így a III. populációs csillagok nem sokáig léteztek a világegyetem történetében – talán néhány százmillió évig, amíg az ősi gáz utolsó foszlányai is elfogytak.
A korai csillagokkal kapcsolatban persze sok a bizonytalanság. Milyen tömegűek lettek valójában? Meddig léteztek az univerzumban? Mekkora számban voltak jelen a korai világegyetemben? „Ezek teljesen másfajta csillagok voltak, mint a saját galaxisunkban lévő csillagok” – mondja Bowler. „Rendkívül érdekes objektumokról van szó.”
Mivel azonban régen és rövid ideig léteztek, a rájuk vonatkozó bizonyítékok megtalálása komoly kihívást jelentett. A Coloradói Egyetem csillagászai azonban 1999-ben azzal álltak elő, hogy ezeknek a csillagoknak lesz egy árulkodó jelük, ha valaha meglátjuk őket: egy jellegzetes héliumfrekvenciát (a hélium II izotóp frekvenciáját) sugároznak ki. Ez egyébként nem magukból a csillagokból ered, hanem akkor keletkezik, amikor a csillagok forró felszínéről származó nagy energiájú fotonok beleütköztek a környező gázba – de ez a kérdés szempontjából tulajdonképpen lényegtelen is.
A lényeg, hogy született egy elég egyszerű javasolt módszer a III. populációs csillagok azonosítására, és így teljes gőzzel megkezdődhetett az utánuk indított vadászat.
Az első csillagok megtalálása
Daniel Schaerer, a Genfi Egyetem csillagásza és kollégái először 2015-ben gondolták, hogy találtak valamit. Egy távoli, primitív galaxisban azonosították a hélium II nyomát, amelyről úgy feltételezték, hogy III. populációs csillagok egy csoportjához kapcsolódhat. A galaxis 800 millió évvel az ősrobbanás után létezett, és úgy tűnt, hogy tartalmazhatja a világegyetem első csillagainak korai bizonyítékát.
A Bowler által vezetett későbbi kutatások azonban megcáfolták az eredményeket. A szakértők bizonyítékot találtak a vizsgált a forrásból származó oxigénkibocsátásra, ami kizárta a III. populációs forgatókönyvet. A kérdéses galaxist megvizsgáló másik kutatócsoport pedig nem észlelte a héliumjelet sem.
A csillagászok ebben is nagy reményeket fűztek a 2021 decemberében induló JWST-hez. A teleszkópnak hatalmas tükrével és példátlan infravörös érzékenységével egyik fontos célja, hogy pillantást vessen a korai világegyetemre. A teleszkóp spektroszkópiára is képes, azaz a fényt hullámhosszokra bontja, ami lehetővé teszi, hogy a III. populációs csillagok hélium II-jelét keresse.
Vang és csapata a JWST több mint 2000 célpontjának spektroszkópiai adatait elemezték. Az egyik egy távoli galaxis volt, amelyet úgy láttak, ahogyan az alig 620 millió évvel az ősrobbanás után létezett. A kutatók szerint a galaxis két részre szakadt.
Elemzésük kimutatta, hogy az egyik felében a jelek szerint a hélium II kulcsfontosságú jele keveredik más elemek fényével, ami potenciálisan egy több ezer III. populációs csillagra utal más csillagok mellett.
A galaxis másik felének teljes spektroszkópiai vizsgálata még várat magára, de fényessége alapján úgy tűnik, hogy ebben még több III. populációs csillag lehet. „Igyekszünk megfigyelési időt szerezni a JWST a következő ciklusára, hogy az egész galaxist lefedjük” – mondja Wang, utalva arra, hogy az eredményekre egy darabig még biztosan várnunk kell majd.
A galaxis Norman szerint igen rejtélyesnek tűnik. Ha a hélium II-jelek helytállóak, elképzelhető, hogy valóban III. populációs csillagok egy halmazáról van szó. Abban azonban nem biztos, hogy a III. populációs és a későbbi csillagok ilyen könnyen keveredhetnek egymással. Daniel Whalen, a Portsmouthi Egyetem asztrofizikusa hasonlóan óvatos az eredményekkel kapcsolatban. „Mindenképpen elképzelhető, hogy ezek bizonyítékok a III. és II. populációs csillagok keveredésére a galaxisban” – mondja. Azonban, bár ez lehet az első közvetlen bizonyíték az univerzum első csillagaira, Whalen szerint nem tekinthető egyértelmű bizonyítéknak. Ugyanis más forró kozmikus objektumok is képesek hasonló hélium II-jelet produkálni, beleértve a fekete lyukak körül kavargó anyagkorongokat.
Vang úgy gondolja, hogy csapata kizárta annak lehetőségét, hogy a forrás egy fekete lyuk lenne, mivel nem észlelték az oxigén, nitrogén vagy ionizált szén olyan specifikus jeleit, amelyek ebben az esetben várhatóak lennének. A munka azonban, ahogy már említettük, még lektori értékelésre vár, és akkor is szükség lesz a további megfigyelésekre állításai megerősítéséhez, ha elfogadják publikációra.
Forró nyomon
Közben a JWST-t használó más csoportok közül is többen az első csillagokra vadásznak. A hélium II-jel keresése mellett egy másik keresési módszert is alkalmaznak, amelyet Rogier Windhorst, az Arizonai Állami Egyetem csillagásza és munkatársai javasoltak 2018-ban. Ennek lényege, hogy az óriási galaxishalmazok gravitációját használják arra, hogy gravitációs lencsézéssel meglássanak az egyes csillagokat a korai univerzumból. Windhorst szerint a nehéz halmazok pereméhez közeledő III. populációs csillagok más csillagokhoz hasonlóan elvileg közel végtelen nagyításon mehetnek keresztül, vagyis hiába vannak nagyon távol térben és időben, megjelenhetnek a mai látómezőben.
Windhorst annak a JWST-programnak a vezetője, amely ezzel a technikával próbálkozik. „Eléggé biztos vagyok benne, hogy egy-két éven belül látni fogunk néhányat. Már van is néhány jelöltünk” – mondja. Eros Vanzella, az olaszországi Nemzeti Asztrofizikai Intézet csillagásza egy hasonló programot vezet, amelynek keretében egy 10 vagy 20 III. populációs csillagjelöltből álló csomót vizsgálnak gravitációs lencsézéssel. „Egyelőre csak játszunk az adatokkal” – mondja, de előbb-utóbb innen várhatók eredmények.
És persze továbbra is fennáll az a csábító lehetőség is, hogy már láttunk is III. populációs csillagokat, mivel a JWST által a korai világegyetemben mostanáig észlelt, a vártnál fényesebb galaxisok ilyen csillagoknak köszönhetik fényességét.
Vanzella elmondása szerint ezek a galaxisok pontosan abból az időszakból valók, amikorra az első csillagok kialakulását tehetjük. Ha pedig így van, akkor akár a következő hetekben vagy hónapokban is megtalálhatjuk az első ilyen égitesteket, mondja a kutató.
