تیمی از ستاره شناسان که داده های تلسکوپ فضایی جیمز وب را بررسی می کنند، نور هلیوم یونیزه شده را در یک کهکشان دور مشاهده کرده اند. این تابش ممکن است نشان دهنده وجود اولین نسل از ستارگان در جهان باشد که به طور گمراه کننده ای “جمعیت 3” نامیده می شود.
ستارگان نسل اول، که اخترشناسان برای مدت طولانی در جستجوی آنها بوده اند، توپ های عظیمی از هیدروژن و هلیوم هستند که از گاز اولیه کیهان تشکیل شده اند. در دهه 1970، دانشمندان شروع به نظریه پردازی در مورد این گلوله های آتشین کردند و این فرضیه را مطرح کردند که پس از عمر کوتاه آنها، آنها به صورت ابرنواختر منفجر شدند و عناصر سنگین تری را تشکیل دادند و آنها را به جهان پرتاب کردند. این ماده ستاره ای بعدها باعث ایجاد جمعیت 2 ستاره با عناصر سنگین تر، سپس ستارگان با جمعیت 1 غنی تر مانند خورشید ما، و همچنین سیارات، سیارک ها، دنباله دارها و در نهایت خود حیات شد.
ربکا بولریک ستاره شناس از دانشگاه منچستر در بریتانیا می گوید: ما وجود داریم، بنابراین می دانیم که باید ستاره های نسل اول داشته باشیم. [نیز] آنها باید وجود داشته باشند.”
در حال حاضر، با توجه به Kunta Magzin، شین وانگیک ستاره شناس از آکادمی علوم چین در پکن و همکارانش فکر می کنند که این ستاره های اولیه را یافته اند. این کشف که به گفته وانگ یک اتفاق سورئال است، هنوز نیاز به تایید دارد. مقاله محققان که در 8 دسامبر در پایگاه داده Archive منتشر شد، در انتظار بررسی همتایان در مجله Nature است.
حتی اگر محققان اشتباه می‌کردند، تشخیص قانع‌کننده‌تر اولین ستاره‌های جهان احتمالاً دور از دسترس نیست. تلسکوپ فضایی جیمز وب با دگرگونی مناطق وسیع نجوم، می تواند اعماق فضا و زمان را ببیند و ستاره های جمعیت 3 را شناسایی کند.
در حال حاضر، این تلسکوپ غول پیکر شناور در فضا، کهکشان های دوردستی را شناسایی کرده است که درخشندگی غیرعادی آنها ممکن است نشان دهنده حضور ستاره های جمعیت 3 در آنها باشد. سایر گروه های تحقیقاتی نیز برای کشف این ستاره ها و تجزیه و تحلیل داده های خود با جیمز وب رقابت می کنند. مایک نورمنیک فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو که ستاره ها را در شبیه سازی های کامپیوتری مطالعه می کند، ستاره های نسل اول را یکی از موضوعات داغ می داند.
کشف قطعی ستارگان جمعیت 3 به اخترشناسان اجازه می دهد تا بررسی اندازه و ظاهر ستارگان، مدت زمان وجود آنها و چگونگی درخشان شدن ناگهانی آنها در تاریکی اولیه کیهان را آغاز کنند. به گفته بولر، ظاهر این ستارگان یکی از اساسی ترین تغییرات در تاریخ جهان است.
ستاره های جمعیت 3
تقریباً 400000 سال پس از انفجار بزرگ، الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها به اندازه‌ای جمع شدند که به هیدروژن و هلیوم تبدیل شدند. با کاهش دما، ماده تاریک به تدریج انباشته شد و اتم ها را به سمت خود جذب کرد. در داخل توده‌های ماده تاریک، هیدروژن و هلیوم توسط گرانش خرد شدند و توپ‌های عظیمی از گاز ایجاد کردند. هنگامی که توپ ها به اندازه کافی متراکم شدند، همجوشی هسته ای ناگهان در مرکز آنها شروع شد و اولین ستاره ها متولد شدند.
والتر باددر سال 1944، ستاره شناس آلمانی ستارگان کهکشان ما را به انواع 1 و 2 طبقه بندی کرد. ستارگان جمعیت 1 شامل خورشید ما و سایر ستارگان غنی از فلز است، و جمعیت 2 به ستارگان قدیمی تر ساخته شده از عناصر سبک تر اشاره دارد. ایده Star Crowd 3 چندین دهه بعد مطرح شد. برنارد کاراخترفیزیکدان بریتانیایی در مقاله ای در سال 1984 نقش حیاتی و احتمالی این نوع ستارگان را در کیهان اولیه توصیف کرد. کار و همکارانش می نویسند: «گرما یا انفجار آنها می تواند جهان را دوباره یونیزه کند… و عناصر سنگین حاصله می تواند انفجاری از غنای پیش کهکشانی را به راه بیندازد، که ستاره های بعدی غنی تر از عناصر سنگین تر است.
کار و همکارانش تخمین زدند که جمعیت 3 ستاره می تواند بین 100000 تا 100000 برابر اندازه خورشید ما باشد به دلیل وجود مقدار زیادی گاز هیدروژن و هلیوم در جهان اولیه.
ستارگان در انتهای سنگین‌تر طیف، یا به اصطلاح ستارگان پرجرم، نسبتاً سرد، قرمز و پف‌آمیز بودند و به اندازه‌ای بزرگ بودند که تقریباً کل منظومه شمسی ما را در بر می‌گرفت. گونه‌های متراکم‌تر و متوسط ستارگان جمعیت 3 به رنگ آبی گرم درخشیدند، بسیار داغ‌تر از خورشید ما که تنها 5500 درجه سانتی‌گراد است و دمای سطح آن نزدیک به 50000 درجه سانتی‌گراد است.
در سال 2001، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به رهبری نورمن توضیح داد که چگونه چنین ستارگان عظیمی می‌توانند شکل بگیرند. در جهان امروزی، ابرهای گازی به تعداد زیادی ستاره کوچک تقسیم می شوند. اما شبیه‌سازی‌ها نشان داد که ابرهای گازی در کیهان اولیه، که بسیار داغ‌تر از امروزی بودند، نمی‌توانستند به این راحتی متراکم شوند و بنابراین در تشکیل ستاره‌ها کارآیی کمتری داشتند. در عوض، کل ابر یک ستاره غول پیکر را تشکیل می دهد.
اندازه بسیار بزرگ این ستارگان اولیه به این معنی بود که عمر کوتاهی داشتند و حداکثر چند صد میلیون سال دوام داشتند. (ستاره‌های پرجرم‌تر از طریق سوختی که دارند سریع‌تر می‌سوزند.) بنابراین، جمعیت 3 ستاره که احتمالاً تنها چند صد میلیون سال سن دارند، در تاریخ کیهان دوام چندانی نداشتند و با متلاشی شدن آخرین مخازن گاز اولیه برای همیشه ناپدید شدند. .
با این حال، عدم قطعیت های زیادی وجود دارد. این ستاره ها واقعا چقدر بزرگ شدند؟ چه مدت وجود داشتند؟ و در اوایل زندگی دنیا چقدر فراوان بودند؟ بولر می گوید: «آنها ستاره هایی کاملاً متفاوت از کهکشان خودمان هستند.
از آنجایی که ستاره های جمعیت 3 بسیار دور و کوتاه هستند، یافتن شواهدی از آنها چالش برانگیز بوده است. با این حال، در سال 1999، اخترشناسان دانشگاه کلرادو بولدر پیش‌بینی کردند که این ستارگان باید یک علامت واضح تولید کرده باشند: فرکانس‌های خاصی از نور ساطع شده توسط هلیوم 2، یا اتم‌های هلیوم که این ذره را با حرکت هر یک از الکترون‌های باقی‌مانده اتم بین سطوح انرژی از دست می‌دهند. . جیمز تراسلرستاره شناس دانشگاه منچستر توضیح داد: “گسیل هلیوم در واقع از درون خود ستاره ها منشا نمی گیرد، بلکه زمانی ایجاد شد که فوتون های پرانرژی از سطوح داغ ستاره ها با گاز اطراف ستاره برخورد کردند.”
دانیل شرر دانشگاه ژنو که بعداً در سال 2002 این ایده را گسترش داد، می‌گوید: «این یک پیش‌بینی نسبتاً ساده است.» جستجو ادامه یافت.
پیدا کردن اولین ستاره ها
در سال 2015، شرر و همکارانش فکر کردند که ممکن است کشف جدیدی کرده باشند. آنها نشانه ای از هلیوم-2 را در یک کهکشان دوردست و اولیه که ممکن است با خوشه ای از ستاره های جمعیت 3 مرتبط باشد، شناسایی کردند. این کهکشان 800 میلیون سال پس از بیگ بنگ ظاهر شد و به نظر می رسید که حاوی اولین شواهد از ستاره های اولیه در جهان باشد.
تلاش بعدی، به رهبری بولر، یافته های قبلی را به چالش کشید. او می‌گوید: «ما شواهدی برای انتشار اکسیژن از منبع پیدا کردیم و این یافته سناریوی ستاره‌های خالص جمعیت 3 را رد می‌کند. سپس یک گروه مستقل نتوانستند مسیر هلیوم 2 را که توسط تیم اصلی مشاهده شده بود شناسایی کنند. هلیوم 2 آنجا نبود. آیا با این وضعیت، سایر محققین می توانند امیدوار باشند؟
ستاره شناسان به تلسکوپ فضایی جیمز وب امیدوار بودند که در ژانویه 1400 پرتاب شد. این تلسکوپ با آینه عظیم و حساسیت بی سابقه اش به نور فروسرخ، راحت تر از هر تلسکوپ قبلی می تواند به جهان اولیه نگاه کند. این تلسکوپ همچنین قادر به طیف سنجی یا شکستن نور به طول موج های تشکیل دهنده آن است و در نتیجه هلیم-2 را به عنوان نشانه ای از ستاره های جمعیت 3 جستجو می کند.