Galaxhopen Abell 2744 ligger på ett avstånd av cirka 3,5 miljarder ljusår och innehåller mer än 400 medlemsgalaxer. Den kombinerade gravitationen av alla galaxer gör att klustret fungerar som en lins för att förstora ljuset från stjärnor bortom inklusive, laget hoppas, de första stjärnorna som bildades i universum. Kredit:NASA/ESA/Arizona State University (R. Windhorst och F. Timmes)
Ungefär 200 till 400 miljoner år efter att Big Bang skapade universum, de första stjärnorna började dyka upp. Vanligtvis skulle stjärnor som ligger på så långt avstånd i tid och rum vara utom räckhåll även för NASA:s nya rymdteleskop James Webb, väntas lanseras 2020.
Dock, astronomer vid Arizona State University leder ett team av forskare som föreslår det med bra timing och lite tur, rymdteleskopet Webb kommer att kunna fånga ljus från de första stjärnorna som föds i universum.
"Att leta efter de första stjärnorna har länge varit ett mål för astronomin, sade Rogier Windhorst, Regents professor i astrofysik vid ASU:s School of Earth and Space Exploration. "De kommer att berätta om de verkliga egenskaperna hos det mycket tidiga universum, saker som vi bara har modellerat på våra datorer fram till nu."
Windhorsts samarbetspartner, Frank Timmes, professor i astrofysik vid School of Earth and Space Exploration, lägger till, "Vi vill svara på frågor om det tidiga universum som, var binära stjärnor vanliga eller var de flesta stjärnor singlar? Hur många tunga kemiska grundämnen producerades, lagade till av de allra första stjärnorna, och hur bildades de första stjärnorna egentligen?
Duho Kim, en School of Earth and Space Exploration doktorand vid Windhorst's, arbetat med att modellera stjärnpopulationer och damm i galaxer.
De andra medarbetare på tidningen är 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), och Simon P. Driver och Patrick L. Kelly (båda University of California, Berkeley).
Lagets tidning, publiceras i Astrophysical Journal Supplement , beskriver hur de utmanande observationerna kan göras.
Gravitys förstoringslins
Det första viktiga steget i uppgiften bygger på den infraröda känsligheten hos Webb-teleskopet. Medan de första stjärnorna var stora, varmt och utstrålat långt ultraviolett ljus, de ligger så långt bort att universums expansion har flyttat deras strålningstopp från ultraviolett till mycket längre infraröda våglängder. Således tappar deras stjärnljus in i Webb -teleskopets infraröda detektorer som en basebollandning i en fältman.
Det andra väsentliga steget är att använda den kombinerade gravitationen hos en mellanliggande galaxhop som en lins för att fokusera och förstora ljuset från den första generationens stjärnor. Typiska gravitationslinser kan förstora ljuset 10 till 20 gånger, men det räcker inte för att göra en första generationens stjärna synlig för Webb-teleskopet. För Webb, kandidatstjärnans ljus behöver förstärkas med en faktor 10, 000 eller mer.
För att få så mycket förstoring krävs "kaustiska transiteringar, "speciella justeringar där en stjärnas ljus förstoras kraftigt under några veckor när galaxhopen driver över himlen mellan jorden och stjärnan.
Kaustiska transiter uppstår eftersom ett kluster av galaxer som fungerar som en lins inte producerar en enda bild som en läsförstorare. Effekten är mer som att titta genom ett klumpigt glasskiva, med nollzoner och hot spots. En kaustik är där förstoringen är störst, och eftersom galaxerna i linsklustret sprids ut inom det, de producerar flera förstorande kaustik som spårar ett mönster i rymden som ett spindelnät.
Spelar oddsen
Hur troligt är en sådan inriktning? Liten men inte noll, säger astronomerna, och de noterar att spindelnätet av kaustik hjälper genom att sprida ett nät. Dessutom är varje kaustik asymmetrisk, ger en kraftig ökning till full förstoring om en stjärna närmar sig från ena sidan, men en mycket långsammare stigning om den närmar sig från andra sidan.
"Beroende på vilken sida av kaustiken den närmar sig från, en första stjärna skulle ljusna över timmar – eller flera månader, "Windhorst förklarade." Sedan efter att ha nått en ljusstyrka i flera veckor, det skulle tona ut igen, antingen långsamt eller snabbt, när den rör sig bort från kaustiklinjen. "
En viktig egenskap hos de första stjärnorna är att de bildades ur det tidiga universums blandning av väte och helium utan tyngre kemiska grundämnen som kol, syre, järn, eller guld. Brinnande hett och strålande blåvitt, de första stjärnorna visar en lärobok enkelt spektrum som ett fingeravtryck, beräknat av ASU-teamet med det öppna mjukvaruinstrumentet Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.
När astronomer plottar stjärnor efter temperatur och ljusstyrka, stjärnorna ligger i olika delar av diagrammet; de flesta ligger längs huvudsekvensen. Solen, nere till höger, har en livstid på cirka 6,4 miljarder år (Gyr). Den första generationen stjärnor är extremt heta och växer sig stora innan de exploderar som supernovor efter bara några miljoner år (Myr). Kredit:Arizona State University/F. Timmes
Ett annat föremål som potentiellt kan synas med samma förstorande effekt är en ackretionsskiva runt de första svarta hålen som bildas efter Big Bang. Svarta hål skulle vara det slutliga evolutionära resultatet av de mest massiva första stjärnorna. Och om några sådana stjärnor fanns i ett tvåstjärnigt (binärt) system, den mer massiva stjärnan, efter att ha kollapsat till ett svart hål, skulle stjäla gas från sin följeslagare för att bilda en platt skiva som matas in i det svarta hålet.
En ackretionsskiva skulle visa ett annat spektrum än en första stjärna när den passerar en frätande, producerar förbättrad ljusstyrka vid kortare våglängder från det varma, innersta delen av skivan jämfört med dess kallare yttre zoner. Ökningen och förfallet i ljusstyrka skulle också ta längre tid, även om denna effekt sannolikt skulle vara svårare att upptäcka.
Accretion-skivor förväntas bli fler eftersom ensamma första stjärnor, vara massiv och het, rasar genom sina liv på bara några miljoner år innan de exploderar som supernovor. Dock, teorin tyder på att en ansamlingsskiva i ett svarthålssystem kan lysa minst tio gånger längre än en ensam första stjärna. Allt annat lika, detta skulle öka chanserna att upptäcka accretion diskar.
Det är utbildade gissningar i detta skede, men teamet beräknar att ett observationsprogram som riktar sig mot flera galaxkluster ett par gånger om året under Webb -teleskopets livstid kan hitta en linsad första stjärna eller ackumuleringsskiva med svart hål. Forskarna har valt ut några målkluster, inklusive Hubble Frontier Fields-klustren och klustret som kallas "El Gordo".
"Vi måste bara ha tur och observera dessa kluster tillräckligt länge, ", sade Windhorst. "Det astronomiska samfundet skulle behöva fortsätta att övervaka dessa kluster under Webbs livstid."
Detta diagram illustrerar hur ljusstrålar från en avlägsen galax eller stjärna kan böjas av gravitationen hos ett mellanliggande galaxkluster. Som ett resultat, en observatör på jorden ser det avlägsna objektet verka ljusare än det skulle se ut om det inte var gravitationslins. Kredit:NASA, ESA, och A. Feild och F. Summers (STScI)
På bortom Webb
Vilket väcker en poäng. Medan rymdteleskopet Webb kommer att vara ett tekniskt under, det kommer inte att ha en lång livslängd som Hubble -rymdteleskopet. Lanserades 1990, Hubble-teleskopet är i låg omloppsbana om jorden och har betjänats av astronauter fem gånger.
Webb rymdteleskop, dock, kommer att placeras på en gravitationsmässigt stabil punkt i det interplanetära rymden, 1,5 miljoner kilometer (930, 000 miles) från jorden. Den har designats för att fungera i 5 till 10 år, som med försiktighet kan sträcka sig till cirka 15 år. Men det finns ingen möjlighet för service av astronauter.
Följaktligen, Windhorst noterar att ASU har gått med i Giant Magellan Telescope Organization. Detta är ett konsortium av universitet och forskningsinstitutioner som kommer att bygga ett teleskop med samma namn på en hög och torr bergstopp vid Las Campanas-observatoriet i Chile. Webbplatsen är idealisk för infraröd observation.
Efter färdigställandet 2026, GMT kommer att ha en ljussamlande yta på 24,5 meter (80 fot) i diameter, byggd av sju individuella speglar. (Webb rymdteleskopets huvudspegel har 18 sektioner och en total diameter på 6,5 meter, eller 21 fot.) GMT-speglarna förväntas uppnå en upplösningsförmåga som är 10 gånger större än den för Hubble Space Telescope i det infraröda området av spektrumet.
Det kommer att finnas en period under vilken både Webb -teleskopet och Giant Magellan -teleskopet kommer att vara i drift.
"Vi planerar att göra observationer av första generationens stjärnor och andra objekt med de två instrumenten, ", sa Windhorst. "Detta kommer att låta oss korskalibrera resultaten från båda."
Överlappningen mellan de två teleskopen är viktig på ett annat sätt, han sa.
"GMT:s operativa livslängd kommer att fortsätta i många decennier in i framtiden. Detta är till skillnad från Webb-teleskopet, som så småningom kommer att få slut på propellerbränsle för att behålla sin bana i rymden."
När det händer, kontakten med Webb-teleskopet kommer att gå förlorad och dess uppdrag kommer att ta slut.
Sa Windhorst, "På ett eller annat sätt, vi är övertygade om att vi kan upptäcka de första stjärnorna i universum. "
