Team sigter mod at bruge et nyt NASA-teleskop til at fange lys fra de første stjerner, der blev født i universet

Omkring 200 til 400 millioner år efter Big Bang skabte universet, de første stjerner begyndte at dukke op. Normalt ville stjerner, der ligger på så stor afstand i rum og tid, være uden for rækkevidde selv for NASAs nye James Webb-rumteleskop, forventes lanceret i 2020.

Imidlertid, astronomer ved Arizona State University leder et team af videnskabsmænd, der foreslår det med god timing og lidt held, Webb-rumteleskopet vil være i stand til at fange lys fra de første stjerner, der bliver født i universet.

"At lede efter de første stjerner har længe været et mål for astronomi, " sagde Rogier Windhorst, Regents 'professor i astrofysik ved ASU's School of Earth and Space Exploration. "De vil fortælle os om de faktiske egenskaber af det meget tidlige univers, ting, vi kun har modelleret på vores computere indtil nu."

Windhorsts samarbejdspartner, Frank Timmes, professor i astrofysik ved School of Earth and Space Exploration, tilføjer, "Vi ønsker at besvare spørgsmål om det tidlige univers som f.eks. var binære stjerner almindelige eller var de fleste stjerner single? Hvor mange tunge kemiske grundstoffer blev der produceret, kogt op af de allerførste stjerner, og hvordan blev de første stjerner egentlig dannet?

Duho Kim, en School of Earth and Space Exploration kandidatstuderende fra Windhorst's, arbejdet med at modellere stjernepopulationer og støv i galakser.

De andre samarbejdspartnere på papiret er J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne, Australien), Mehmet Alpaslan (New York University), Stephen K. Andrews (University of Western Australia), Daniel Coe (Space Telescope Science Institute), Jose M. Diego (Instituto de Fisica de Cantabria, Spanien), Mark Dijkstra (Universitetet i Oslo), og Simon P. Driver og Patrick L. Kelly (begge University of California, Berkeley).

Holdets papir, offentliggjort i Astrophysical Journal Supplement , beskriver, hvordan de udfordrende observationer kan gøres.

Tyngdekraftens forstørrelseslinse

Det første vigtige trin i opgaven er baseret på Webb-teleskopets infrarøde følsomhed. Mens de første stjerner var store, varmt og udstrålet langt ultraviolet lys, de ligger så langt væk, at universets udvidelse har flyttet deres strålingsspids fra den ultraviolette til meget længere infrarøde bølgelængder. Således falder deres stjernelys ned i Webb-teleskopets infrarøde detektorer som en baseball, der lander i en markspillerhandske.

Det andet væsentlige skridt er at bruge den kombinerede tyngdekraft af en mellemliggende galaksehob som en linse til at fokusere og forstørre lyset fra den første generation af stjerner. Typisk gravitationslinser kan forstørre lyset 10 til 20 gange, men det er ikke nok til at gøre en førstegenerationsstjerne synlig for Webb-teleskopet. For Webb, kandidatstjernens lys skal forstærkes med en faktor 10, 000 eller mere.

For at få så meget forstørrelse kræver det "ætsende transitter, " specielle justeringer, hvor en stjernes lys forstørres kraftigt i et par uger, mens galaksehoben driver hen over himlen mellem Jorden og stjernen.

Kaustiske transitter opstår, fordi en klynge af galakser, der fungerer som en linse, ikke producerer et enkelt billede som en læselup. Effekten er mere som at se gennem en klumpet glasplade, med nul-zoner og hot spots. Et ætsende er hvor forstørrelsen er størst, og fordi galakserne i linsehoben spredte sig ud i den, de producerer flere forstørrende ætsninger, der sporer et mønster i rummet som et edderkoppespind.

At spille odds

Hvor sandsynligt er en sådan justering? Lille, men ikke nul, siger astronomerne, og de bemærker, at edderkoppespindet af kaustik hjælper ved at sprede et net. Desuden er hvert kaustikum asymmetrisk, producerer en skarp stigning til fuld forstørrelse, hvis en stjerne nærmer sig fra den ene side, men en meget langsommere stigning, hvis den nærmer sig fra den anden side.

"Afhængig af hvilken side af ætsningen den nærmer sig fra, en første stjerne ville blive lysere over timer – eller flere måneder, " forklarede Windhorst. "Så efter at have nået en maksimal lysstyrke i flere uger, det ville forsvinde igen, enten langsomt eller hurtigt, når den bevæger sig væk fra den kaustiske linje."

En nøgleegenskab ved de første stjerner er, at de er dannet ud af det tidlige univers' blanding af brint og helium uden tungere kemiske grundstoffer såsom kulstof, ilt, jern, eller guld. Brandende varm og strålende blå-hvid, de første stjerner viser et enkelt lærebogsspektrum som et fingeraftryk, som beregnet af ASU-teamet ved hjælp af det åbne softwareinstrument Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.

Et andet objekt, der potentielt kan ses af den samme forstørrelseseffekt, er en tilvækstskive omkring de første sorte huller, der dannes efter Big Bang. Sorte huller ville være det endelige evolutionære resultat af de mest massive første stjerner. Og hvis sådanne stjerner var i et tostjernet (binært) system, den mere massive stjerne, efter at være kollapset til et sort hul, ville stjæle gas fra sin ledsager for at danne en flad skive, der fødes ind i det sorte hul.

En tilvækstskive ville vise et andet spektrum end en første stjerne, når den passerer en kaustisk, producerer forbedret lysstyrke ved kortere bølgelængder fra det varme, inderste del af skiven sammenlignet med de koldere ydre zoner af den. Stigningen og faldet i lysstyrken ville også tage længere tid, selvom denne effekt sandsynligvis ville være sværere at opdage.

Accretion disks forventes at være flere, fordi ensomme første stjerner, være massiv og varm, race gennem deres liv på blot et par millioner år, før de eksploderer som supernovaer. Imidlertid, teorien antyder, at en tilvækstskive i et sort hul-system kunne lyse mindst ti gange længere end en ensom første stjerne. Alt andet lige, dette ville øge chancerne for at opdage accretion disks.

Det er uddannet gætværk på dette stadium, men holdet beregner, at et observationsprogram, som retter sig mod adskillige galaksehobe et par gange om året i Webb-teleskopets levetid, kunne finde en første stjerne med linse eller sort hul-tilvækstskive. Forskerne har udvalgt nogle målklynger, inklusive Hubble Frontier Fields-klyngerne og klyngen kendt som "El Gordo".

"Vi skal bare være heldige og observere disse klynger længe nok, " sagde Windhorst. "Det astronomiske samfund ville være nødt til at fortsætte med at overvåge disse klynger i Webbs levetid."

På hinsides Webb

Hvilket rejser et punkt. Mens Webb Space Telescope vil være et teknisk vidunder, det vil ikke have en lang driftslevetid som Hubble-rumteleskopet. Lanceret i 1990, Hubble-teleskopet er i lav kredsløb om jorden og er blevet serviceret af astronauter fem gange.

Webb-rumteleskopet, imidlertid, vil blive placeret på et gravitationsmæssigt stabilt punkt i det interplanetariske rum, 1,5 millioner kilometer (930, 000 miles) fra Jorden. Den er designet til at fungere i 5 til 10 år, som med forsigtighed kan strække sig til omkring 15 år. Men der er ingen mulighed for servicering af astronauter.

Derfor, Windhorst bemærker, at ASU har tilsluttet sig Giant Magellan Telescope Organization. Dette er et konsortium af universiteter og forskningsinstitutioner, der vil bygge sit navnebror teleskop på en høj og tør bjergtop ved Las Campanas-observatoriet i Chile. Stedet er ideelt til infrarød observation.

Efter færdiggørelsen i 2026, GMT vil have en lysopsamlende overflade på 24,5 meter (80 fod) i diameter, bygget af syv individuelle spejle. (Webb Rumteleskopets hovedspejl har 18 sektioner og en samlet diameter på 6,5 meter, eller 21 fod.) GMT-spejlene forventes at opnå en opløsningsevne, der er 10 gange større end Hubble-rumteleskopets i det infrarøde område af spektret.

Der vil være en periode, hvor Webb-teleskopet og Giant Magellan-teleskopet begge vil være i drift.

"Vi planlægger at foretage observationer af førstegenerationsstjerner og andre objekter med de to instrumenter, " sagde Windhorst. "Dette vil lade os krydskalibrere resultaterne fra begge."

Overlapningen mellem de to teleskoper er vigtig på en anden måde, han sagde.

"GMT's driftslevetid vil fortsætte i mange årtier ud i fremtiden. Dette er i modsætning til Webb-teleskopet, som i sidste ende vil løbe tør for thrusterbrændstof for at bevare sin bane i rummet."

Når det sker, kontakten med Webb-teleskopet vil gå tabt, og dets mission vil komme til en ende.

sagde Windhorst, "På den ene eller anden måde, vi er sikre på, at vi kan opdage de første stjerner i universet."