رصد نخستین ستارگان؛  تلسکوپ جیمز وب قوی‌ترین شواهد از کیهان اولیه را کشف کرد

دهه‌هاست که اخترشناسان فقط از طریق مدل‌های تئوری می‌توانستند نخستین ستارگان کیهان را مطالعه کنند. اما اکنون، مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب قوی‌ترین و قانع‌کننده‌ترین شواهد تابه‌امروز را از این ستارگان باستانی که به «ستارگان جمعیت ۳» معروف هستند، کشف کرده است. این ستارگان در اطراف یک جرم کوچک که فقط ۴۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ (Big Bang) شکل گرفته است، کشف شده‌اند.

نتایج این کشف در قالب دو مطالعه مکمل منتشر شده‌اند. یکی از این پژوهش‌ها به سرپرستی «روبرتو مایولینو» از دانشگاه کمبریج و دیگری توسط «الکا روستا» از دانشگاه فلورانس انجام شده است. این یافته‌ها می‌توانند پنجره‌ای مستقیم رو به کیهان اولیه باز کنند و به ما نشان دهند که چگونه نخستین نسل‌های ستارگان، تمام آن چیزی را که پس از آنها به وجود آمد، شکل داده‌اند.

کشف شواهدی از نخستین نسل از ستارگان توسط جیمز وب

برخلاف ستارگان امروزی، ستارگان جمعیت ۳ از ابرهایی تشکیل شده بودند که ترکیبات اصلی آنها هیدروژن و هلیوم خالص بود؛ آن هم بسیار قبل‌تر از آنکه عناصر سنگین‌تری مانند کربن، اکسیژن و آهن در قلب ستارگان پخته شوند. اخترشناسان بر این باورند که این ستارگان بسیار پرجرم و فوق‌العاده داغ بوده‌اند و سوخت خود را فقط در عرض چند میلیون سال مصرف می‌کردند؛ بازه زمانی کوتاهی که در مقیاس‌های کیهان‌شناسی یک چشم‌برهم‌زدن محسوب می‌شود.

پس از پایان سوخت، این غول‌های باستانی در قالب ابرنواخترهای بزرگ منفجر می‌شدند و بذر عناصر سنگین را برای شکل‌گیری نسل‌های بعدی ستارگان پراکنده می‌کردند.

در سال ۲۰۲۴، محققان کمبریج یک سیگنال غیرمعمول را در هاله GN-z11 (یکی از درخشان‌ترین کهکشان‌های شناخته‌شده در کیهان اولیه) شناسایی کردند. آنها با استفاده از ابزار طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک موسوم به NIRSpec-IFU که روی تلسکوپ جیمز وب نصب شده است، یک خط انتشار نوری ضعیف را از یک جرم کوچک به نام Hebe ردیابی کردند. این جرم فقط سه کیلوپارسک با کهکشان میزبان خود فاصله دارد.

این خط نوری با نشانه «هلیوم دو بار یونیزه‌شده» مطابقت داشت؛ پدیده‌ای که وقوع آن نیازمند تشعشعاتی فوق‌العاده پرانرژی است. با توجه به نبود هیچ‌گونه نشانه قابل ردیابی از عناصر فلزی در این طیف نوری، محققان گفتند ستارگان جمعیت ۳ محتمل‌ترین منبع برای این تشعشعات هستند، هرچند که تا پیش‌ازاین چنین ستارگان باستانی هرگز به‌طور مستقیم مشاهده نشده بودند.

محققان اکنون با استفاده از قابلیت‌های وضوح بالای ابزار NIRSpec واقعی‌بودن این سیگنال هلیومی را تأیید و آن را به دو مؤلفه مجزا تفکیک کرده‌اند. از سوی دیگر و در مطالعه‌ای جداگانه، محققان دانشگاه فلورانس نیز به‌طور مستقل یک خط انتشار نوری هیدروژن را از همان مکان ردیابی کردند که لنگرگاه دوم و محکمی برای تأیید این شناسایی فراهم می‌کند. نکته حائز اهمیت این است که هیچ‌کدام از این دو مطالعه، شواهدی از وجود عناصر سنگین‌تر در این تشعشعات پیدا نکردند.

تیم محققان در قدم بعدی با استفاده از مدل‌سازی‌های نظری و بررسی نسبت هلیوم به هیدروژن رصدشده در جرم هبه توانستند محدوده جرمی این ستارگان اولیه را تخمین بزنند. تحلیل‌های آنها توزیع جرمی سنگین را نشان می‌دهد؛ به‌طوری‌که جرم بیشتر این ستارگان بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید بوده است. این یافته کاملاً با پیش‌بینی‌های قبلی مبنی‌بر اینکه نخستین ستارگان، اجرامی داغ و پرجرم بوده‌اند و در کیهانی شکل گرفته‌اند که هنوز با عناصر سنگین اشباع نشده بود، همخوانی دارد.