Когда формировались первые звёзды во Вселенной, единственным доступным материалом был первичный водород и гелий, образовавшиеся в результате Большого взрыва. Астрономы называют эти звёзды – звёздами Населения III, и они были чрезвычайно массивными, яркими и горячими. Сейчас их уже нет, и на самом деле их существование является гипотетическим.
Но если бы они действительно существовали, они должны были бы оставить свои отпечатки на окружающем их газе, и астрофизики его ищут.
Охота за звёздами Населения III важна в астрофизике. Они первыми образовали металлы, элементы тяжелее водорода и гелия. Только когда эти металлы стали доступны, могли образоваться каменистые планеты. Их металлы также вошли в состав звёзд следующего поколения, что привело к более высокой металличности, которую мы наблюдаем у таких звёзд, как наше Солнце.
Поскольку звёзды Населения III были такими массивными и горячими, они просуществовали недолго. Никто из них не дожил бы до наших дней. Но мощный телескоп JWST может расширить поиск этих важнейших звёзд, оглянувшись назад во времени и обнаружив их древний свет. В этом вся суть проекта JWST-JADES.
При чём тут галактика GN-z11?
Исследователи, работающие с данными JADES, обнаружили дразнящие доказательства наличия звёзд Населения III в GN-z11, галактике с большим красным смещением, которая является одной из самых далёких галактик, когда-либо наблюдаемых.
“Обнаружение первого поколения звёзд, образовавшихся из первозданного газа в ранней Вселенной, известных как звёзды Населения III, является одной из важнейших целей современной астрофизики”, – пишут Майолино и его коллеги в своей статье. “Недавние модели предположили, что звёзды Населения III могут образовываться в карманах нетронутого газа в гало более развитых галактик”.
GN-z11 – одна из таких галактик. При красном смещении z=10,6034, JWST видит галактику такой, какой она была около 13,4 миллиардов лет назад, что соответствует примерно 400 миллионам лет после Большого взрыва.
Звёзды Населения III были массивными и могли быть в 1000 раз массивнее Солнца. Эти массивные звёзды должны были быть исключительно горячими, что может дать ключ к их обнаружению. Астрофизики считают, что всё это тепло могло дважды ионизировать близлежащий гелий. Поэтому они ищут этот гелий: заметные небулярные линии HeII, называемые эмиссионной линией HeII?1640. Чтобы указать на присутствие звёзд Населения III, линии HeII не должны сопровождаться какими-либо линиями металлов.
JWST наблюдал за галактикой с помощью инструмента NIRSpec-IFU и обнаружил наличие HeII?1640. Обнаружение линий дважды ионизированного гелия было лишь первым шагом. Звёзды Населения III – не единственные объекты, которые могли ионизировать гелий. Чтобы определить, виноваты ли в этом древние звёзды, исследователи изучили галактику и выделили несколько особенностей.
Наряду с HeII?1640 они также обнаружили выбросы Лайман-альфа и CIII, или дважды ионизированного углерода.
Нашли ли исследователи звёзды Населения III?
По мнению авторов, спектральная особенность сгустка газа в галактике GN-z11 является убедительным свидетельством фотоионизации звёзд Населения III. Такое же излучение было обнаружено на большей территории к северо-востоку, возможно, со вторым, более слабым сгустком.
Авторы утверждают, что активное галактическое ядро может фотоионизировать гелий вблизи центра галактики, но не может объяснить появление HeII на больших расстояниях. По мнению авторов, звёзды Населения III являются лучшим объяснением.
Другим свидетельством существования звёзд Населения III является ширина эмиссии линий HeII. Большая ширина предполагает фотоионизацию бедными металлами звёздами Населения III, а не звёздами Населения II с более высокой металличностью.
Степень ионизации также указывает на определённую массу звёзд Населения III, и указанная масса согласуется с моделями.
Есть ещё одна возможность: чёрная дыра прямого коллапса. Но ширина выбросов в этом сценарии должна быть ниже, хотя и ненамного. Следовательно, этот сценарий остаётся ещё одной возможной интерпретацией.
Если будущие наблюдения подтвердят присутствие звёзд Населения III в GN-z11, то это будет очень большим событием.