Webb evrendeki ilk yıldızları bulabilir mi?

Evrenin ilk yıldızlarının önemli bir görevi vardı. Büyük Patlama’nın yarattığı ilkel elementlerden oluştular, dolayısıyla hiçbir metal içermiyorlardı. İlk metalleri sentezlemek ve onları yakındaki evrene yaymak onlara kalmıştı.

JWST, evrenin en eski gökadalarını bulma konusunda bir miktar ilerleme kaydetti. İlk yıldızları ararken aynı başarıyı yakalayabilir mi?

Evrenin ilk galaksilerini bulmak son derece zor bir iştir ve JWST’nin inşa edilmesinin arkasındaki ana motivasyonlardan biridir. Bu eski nesnelerden gelen ışık, JWST’nin algılamada üstün olduğu kızılötesine doğru kırmızıya kayar. Kızılötesinde derin alan gözlemleri gerçekleştiren uzay teleskopu, en eski gökadalardan bazılarının yerini tespit etti.

Ancak ilk yıldızlar ilk galaksilerden daha eskidir. İlk yıldızlar Büyük Patlama’dan yaklaşık 50 ila 100 milyon yıl sonra oluştu ve onların ışıkları evrenin Karanlık Çağlarının sonunu getirdi. Astrofizikçiler bu yıldızların 1000 güneş kütlesine kadar çıkabilen son derece büyük olduğunu düşünüyor.

Yeni çalışmanın başlığı “JWST ile yüksek derecede büyütülmüş yıldızların tespiti ve karakterizasyonu: Popülasyon III’ü bulma olasılıkları”. ‘da yayınlanacak Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri ve şu anda mevcut üzerinde arXiv ön baskı sunucusu. Baş yazar, İsveç Uppsala Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nden Erik Zackrisson’dur.

“Bu erken dönemlerde verimli soğutucuların bulunmaması ve kimyasal olarak zenginleştirilmemiş gazdaki parçalanma nedeniyle, ortaya çıkan metalsiz (diğer adıyla Popülasyon III) yıldızların son derece yüksek kütlelerle (karakteristik kütleler ~ 10-1000 güneş kütlesi) karakterize edildiğine inanılmaktadır. ,” yazarlar yazıyor.

Bu erken, büyük kütleli yıldızları görebilmek için JWST’nin kütleçekimsel merceklemenin yardımına ihtiyacı olacak. Yazarlar şöyle açıklıyor: “Kütleçekimsel mercekleme, tek tek yüksek kütleli yıldızların kozmolojik mesafelere kadar tespit edilebilir olmasını sağlayabilir ve son yıllarda aşırı derecede büyütülmüş birkaç yıldız z ~ 6 kırmızıya kaymaya kadar tespit edildi.” Z ~ 6’da ışığın bize ulaşması 12,7 milyar ışıkyılı sürdü.

Yerçekimsel mercekleme, galaksi kümesi gibi büyük bir ön plan nesnesinin bizimle gözlemlemek istediğimiz nesne arasında olduğu durumlardan yararlanır. Hedeften gelen ışık, yerçekimi merceği adı verilen ön plandaki nesnenin yanından geçerken ışık büyütülür. Bu, normalde görünmeyen nesneyi görünür kılar.

İlk yıldızlar kırmızıya kayma açısından z=20 civarındadır ve JWST, kütleçekimsel merceklemeyi kullanabilirse bu ışığı görebilmelidir. Eğer yapabilirse, o zaman güçlü teleskop bize erken evrendeki bir zaman periyoduna dair gözlemsel kanıtlar sunmaya başlayacak ve şu ana kadar çoğunlukla teori yoluyla anlıyoruz: Reiyonizasyon Çağı (EoR).

EoR sırasında evrene yoğun, engelleyici bir hidrojen gazı sisi hakim oldu. İlk yıldızlar oluştuğunda, onların ultraviyole ışığı gazı yeniden iyonlaştırarak ışığın hareket etmesini sağladı. Bu, evrenin yaşamında kritik bir adımdır, dolayısıyla sorumlu olan antik Pop III yıldızlarından bazılarını bulmak önemli bir hedeftir.

Bu ilk yıldızlar başka yönlerden de ilgi çekicidir ve evrenimizi şekillendirmişlerdir. Güneşten milyonlarca kat daha parlaktı ve güneşimiz gibi bir yıldızla karşılaştırıldığında kısa bir süre yaşıyorlardı. Ya süpernova olarak patladılar ya da kara deliklere dönüştüler. Kara delik haline gelenler gaz ve diğer yıldızları yutarak evrenin ilk kuasarları oldular. Astrofizikçiler, bu kuasarların, Samanyolu gibi galaksilerin merkezlerine demir atan süper kütleli kara delikler haline gelmek üzere birikim ve birleşme yoluyla büyüdüğünü düşünüyor.

Süpernova olarak patlayanlar da önemli bir rol oynadı. Hidrojen ve helyumdan daha ağır elementleri dövüp, patlayınca bu metalleri uzaya geri saçtılar. Daha sonra gelen yıldızlar bu metallerin bir kısmını içermekteydi ve metaller aynı zamanda kayaç kütleler oluşturmaktaydı. Popülasyon III süpernovalarından önce kayalık gezegenler ve kesinlikle yaşam olasılığı yoktu. Dolayısıyla, ister süpernova ister kara delik olarak sonlansınlar, bu devasa, antik yıldızlar, bugün etrafımızda gördüğümüz evrenin oluşmasına zemin hazırlamaya yardımcı oldu.

JWST başarılı olursa, bu yıldız atalarının güzel fotoğrafları olmayacak. Bunun yerine veriler olacak. Bu verileri çözmek ve içinde Pop III yıldızlarının olup olmadığını belirlemek karmaşık bir iştir. Bu çaba, uzay teleskopunun ve onunla çalışan bilim adamlarının sınırlarını zorluyor.

Öncelikle metal açısından zengin yıldızları metal açısından fakir Pop III yıldızlarından spektroskopik olarak belirlemek zordur. Bunun bir nedeni, bu büyük kütleli yıldızların çoğunun ikili çiftler halinde olması ve bunun da ışık sinyalini karmaşık hale getirmesidir. Diğer bir neden ise, eğer yıldızlar hala nispeten gençse, bulutsu hidrojenle çevrelenmiş olmalarıdır ve bu da ışık sinyallerinin yorumlanmasını zorlaştırır.

JWST bu yıldızlardan bazılarını bulabilirse, çığır açan teleskop (zaten şaşırtıcı bir başarı elde etmiş) daha da başarılı olacaktır. O ve onu işleten insanlar, bilimsel hedefler listesindeki kutuları düzenli olarak işaretliyorlar.