Webb kan ha upptäckt de allra första stjärnorna

James Webbs djupaste spektra öppnar återigen frågan om "det första ljuset"

Vad forskarlaget faktiskt fann

Studien fokuserar på fyra mål med mycket hög rödförskjutning, hämtade från JWST:s djupundersökningar. Ett objekt i synnerhet – katalogiserat i JWST:s undersökningsdata som JADES-GS-z14-0 – visar en tentativ svacka i sitt spektrum vid den våglängd som motsvarar enkeljoniserat helium (He II) i vilosystemet vid 1640 Å. Detta absorptionsdrag lyfts fram i artikeln som en potentiell "rykande pistol"-signatur för en supermassiv mörk stjärna, eftersom teoretiska modeller förutsäger en stark He II-absorption i de utsträckta, relativt svala atmosfärerna hos sådana objekt. Författarna understryker att detektionen är svag (signal-brus-förhållande i storleksordningen två) och måste behandlas med försiktighet.

Men det finns syre i närheten

Något som komplicerar bilden är att uppföljande observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) med säkerhet detekterade [O III] 88 μm-linjen från samma plats på himlen och mätte en exakt spektroskopisk rödförskjutning på z ≈ 14,18. ALMA-mätningen antyder en icke-försumbar metallberikning – syre förekommer på en nivå som talar emot en helt metallfri, primordial miljö. Det skulle utesluta en ensam, ursprunglig mörk stjärna, såvida inte den mörka stjärnan är inbäddad i, eller har blandats med, ett metallberikat system, vilket artikelförfattarna diskuterar. ALMA-detektionen ger också en oberoende rödförskjutning med hög precision som hjälper till att förankra tolkningen av JWST-spektra.

Vad är mörka stjärnor, och varför är de viktiga?

Idén om mörka stjärnor föreslogs för mer än ett decennium sedan: i det tidiga universumet skulle kollapsande gasmoln som bildade de första lysande objekten ha varit inbäddade i täta klumpar av mörk materia. Om den mörka materiens partiklar annihilerar med varandra kan den frigjorda energin värma upp gasen och skapa ett stort, diffust lysande objekt som aldrig når det kompakta, fusionsdominerade tillstånd som kännetecknar vanliga stjärnor. I många modeller kan dessa objekt bli extremt massiva och extremt ljusstarka – i vissa scenarier kan en enda supermassiv mörk stjärna lysa starkare än en hel liten galax. Att detektera ett sådant objekt skulle inte bara skriva om läroböckerna om de första stjärnornas bildande, det skulle också ge ett sällsynt astrofysikaliskt fönster mot den mörka materiens partikelkaraktär.

Hur en mörk stjärna skiljer sig från vanliga första stjärnorna

Varför påståendet fortfarande är tentativt

Det finns viktiga skäl att förbli försiktig. För det första är He II-absorptionsdraget som rapporterats i JWST-spektrumet svagt; vid lågt signal-brus-förhållande kan instrumenteffekter, bakgrundssubtraktion eller överlappande nebulära drag producera falska svackor. För det andra kan många av kandidaterna också modelleras som extremt kompakta, intensiva stjärnbildningsregioner eller som ackreterande svarta hål, särskilt när nebulär emission förekommer. För det tredje antyder ALMA:s detektion av syre ett metallinnehåll som är svårt att förena med en helt ursprunglig mörk stjärna – även om författarna skisserar scenarier där en mörk stjärna skulle kunna samexistera med närliggande, metallberikad gas (för exempel efter en sammanslagning). Slutligen har fältet sett flera dramatiska tidiga påståenden från JWST-data som krävt djupare uppföljning för att avgöras, så forskarsamhället är medvetet krävande när det gäller bekräftelse.

Vad skulle räknas som bekräftelse?

Robust bekräftelse kräver spektra med högre signal-brus-förhållande som återger samma drag, spatiellt upplöst avbildning som kan skilja ett punktformigt, enskilt objekt från en kompakt galax, samt mätningar vid flera våglängder (ALMA, mellan-IR, även framtida markbaserade teleskop i 30-metersklassen) för att kartlägga gas, stjärnor och eventuellt stoft. I scenariot med mörka stjärnor skulle en tydlig, repeterbar He II 1640-absorption åtföljd av den förutsagda kontinuumformen och avsaknaden av typisk nebulär emission vara övertygande. Omvänt skulle starkare detektioner av flera metallinjer eller upplösta stjärnpopulationer tala för tolkningen att det rör sig om en tidig galax.

Vidare konsekvenser om det stämmer

Om en population av mörka stjärnor skulle bekräftas skulle konsekvenserna bli djupgående. De erbjuder en naturlig väg för att producera massiva frön till svarta hål under tidiga epoker, vilket hjälper till att förklara kvasarer med massor på en miljard solmassor som redan har setts vid rödförskjutningar över sex. De skulle också knyta samman kosmologi med partikelfysik genom att begränsa annihilationsegenskaperna hos mörk materia-partiklar. Slutligen skulle upptäckten av en tidigare okänd klass av ljusstarka objekt vid det kosmiska gryningsljuset omforma modeller för tidig galaxbildning och rejonisering. Men allt detta vilar på att man klarar de högt ställda kraven på observationella bevis.

Nästa steg och det vetenskapliga stämningsläget

För närvarande har Webb gett astronomer deras hittills bästa och mest direkta ledtrådar till de allra första lysande objekten. Om dessa ledtrådar pekar mot en konventionell gryning av små, fusionsdrivna stjärnor eller mot en exotisk era av jättar drivna av mörk materia återstår att se – men jakten på det kosmiska första ljuset har gått in i en avgörande och djupt fängslande fas.