Webb mógł dostrzec pierwsze gwiazdy

Najgłębsze widma Jamesa Webba ponownie otwierają kwestię „pierwszego światła”

Co zespół faktycznie odkrył

Badanie koncentruje się na czterech celach o bardzo dużym przesunięciu ku czerwieni, wybranych z głębokich przeglądów JWST. Jeden obiekt w szczególności – skatalogowany w danych z przeglądu JWST jako JADES‑GS‑z14‑0 – wykazuje niepewny spadek w widmie przy długości fali odpowiadającej jednokrotnie zjonizowanemu helowi (He II) w układzie spoczynkowym 1640 Å. Ta cecha absorpcyjna została podkreślona w publikacji jako potencjalny „koronny dowód” na istnienie supermasywnej ciemnej gwiazdy, ponieważ modele teoretyczne przewidują silną absorpcję He II w rozległych, stosunkowo chłodnych atmosferach takich obiektów. Autorzy podkreślają, że detekcja jest słaba (stosunek sygnału do szumu rzędu dwóch) i musi być traktowana ostrożnie.

Ale w sąsiedztwie jest tlen

Obraz sytuacji komplikują obserwacje uzupełniające wykonane za pomocą Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), które jednoznacznie wykryły linię [O III] 88 μm w tym samym miejscu na niebie i pozwoliły na precyzyjny pomiar spektroskopowego przesunięcia ku czerwieni wynoszącego z ≈ 14,18. Pomiar ALMA implikuje niepomijalne wzbogacenie w metale – tlen jest obecny na poziomie, który przemawia przeciwko czystemu, pozbawionemu metali środowisku pierwotnemu. Wykluczałoby to pojedynczą, nieskażoną ciemną gwiazdę, chyba że jest ona osadzona w systemie wzbogaconym w metale lub zmieszała się z nim, co omawiają autorzy pracy. Detekcja ALMA zapewnia również niezależne, wysokiej precyzji przesunięcie ku czerwieni, które pomaga uwiarygodnić interpretację widm JWST.

Czym są ciemne gwiazdy i dlaczego są ważne?

Koncepcja ciemnych gwiazd została zaproponowana ponad dekadę temu: we wczesnym Wszechświecie zapadające się obłoki gazu, z których formowały się pierwsze świecące obiekty, byłyby zanurzone w gęstych skupiskach ciemnej materii. Jeśli cząstka ciemnej materii ulega anihilacji, uwolniona energia mogłaby ogrzać gaz i wytworzyć duży, rozproszony świecący obiekt, który nigdy nie osiąga zwartego stanu zdominowanego przez fuzję jądrową, charakterystycznego dla zwykłych gwiazd. W wielu modelach obiekty te mogą urosnąć do ekstremalnie masywnych i jasnych rozmiarów – w niektórych scenariuszach pojedyncza supermasywna ciemna gwiazda może świecić jaśniej niż cała mała galaktyka. Wykrycie takiego obiektu nie tylko napisałoby na nowo podręczniki o powstawaniu pierwszych gwiazd, ale także otworzyłoby rzadkie astrofizyczne okno na cząsteczkową naturę ciemnej materii.

Czym ciemna gwiazda różni się od zwykłych pierwszych gwiazd

Dlaczego twierdzenie to wciąż jest niepewne

Istnieją ważne powody, by zachować ostrożność. Po pierwsze, linia absorpcyjna He II odnotowana w widmie JWST jest słaba; przy niskim stosunku sygnału do szumu efekty instrumentalne, odejmowanie tła lub nakładające się cechy mgławicowe mogą generować pozorne spadki. Po drugie, wiele z tych kandydatów można również modelować jako ekstremalnie zwarte, intensywne obszary formowania się gwiazd lub jako akreujące czarne dziury, zwłaszcza gdy obecna jest emisja mgławicowa. Po trzecie, wykrycie tlenu przez ALMA sugeruje zawartość metali, którą trudno pogodzić z całkowicie pierwotną ciemną gwiazdą – choć autorzy nakreślają scenariusze, w których ciemna gwiazda mogłaby współistnieć z pobliskim, wzbogaconym w metale gazem (na przykład po połączeniu). Wreszcie, w dziedzinie tej pojawiło się już kilka spektakularnych wczesnych twierdzeń opartych na danych z JWST, które wymagały głębszych obserwacji sprawdzających, więc społeczność naukowa celowo stawia wysokie wymagania dotyczące potwierdzenia.

Co uznalibyśmy za potwierdzenie?

Solidne potwierdzenie wymaga widm o wyższym stosunku sygnału do szumu, które powtórzą te same cechy, obrazowania z rozdzielczością przestrzenną, które pozwoli odróżnić punktowy, pojedynczy obiekt od zwartej galaktyki, oraz pomiarów wielofalowych (ALMA, średnia podczerwień, a nawet przyszłe teleskopy naziemne klasy 30 metrów) w celu zmapowania gazu, gwiazd i ewentualnego pyłu. W scenariuszu z ciemną gwiazdą, wyraźna i powtarzalna absorpcja He II 1640, której towarzyszy przewidywany kształt kontinuum i brak typowej emisji mgławicowej, byłaby przekonująca. I odwrotnie, silniejsze detekcje wielu linii metalicznych lub rozdzielone populacje gwiazd faworyzowałyby interpretację o wczesnej galaktyce.

Szersze implikacje, jeśli to prawda

Gdyby istnienie populacji ciemnych gwiazd zostało potwierdzone, konsekwencje byłyby głębokie. Oferują one naturalną drogę do wytwarzania masywnych zalążków czarnych dziur we wczesnych epokach, pomagając wyjaśnić istnienie kwazarów o masie miliarda mas Słońca, które zaobserwowano już przy przesunięciach ku czerwieni powyżej sześciu. Powiązałyby one również kosmologię z fizyką cząstek elementarnych poprzez ograniczenie właściwości anihilacyjnych cząstek ciemnej materii. Wreszcie, znalezienie nieznanej wcześniej klasy świecących obiektów u kosmicznego świtu zmieniłoby modele wczesnego formowania się galaktyk i reionizacji. Wszystko to jednak zależy od pokonania wysokiej poprzeczki, jaką są dowody obserwacyjne.

Następne kroki i nastroje w świecie nauki

Na razie Webb dostarczył astronomom najlepszych i najbardziej bezpośrednich jak dotąd wskazówek dotyczących pierwszych świecących obiektów. Czy te wskazówki prowadzą do konwencjonalnego świtu małych gwiazd zasilanych fuzją, czy też do egzotycznej ery gigantów zasilanych ciemną materią – to się dopiero okaże – ale polowanie na kosmiczne „pierwsze światło” weszło w decydującą i niezwykle intrygującą fazę.