Когда формировались первые звезды во Вселенной, единственным доступным материалом был первичный водород и гелий, образовавшиеся в результате Большого взрыва. Астрономы называют эти оригинальные звезды «Три звезды населения», и они были чрезвычайно массивными, яркими и горячими звездами. 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 пальцев на близлежащем газе, и астрофизики его ищут.
Охота за звездами Населения 3 (Pop III) Вселенной важна в астрофизике. Они первыми образовали астрономические металлы, элементы тяжелее водорода и гелия. Только когда эти металлы стали доступны, могли образоваться каменистые планеты. Их металлы также вошли в состав звезд следующего поколения, что привело к более высокой металличности, которую мы наблюдаем у таких звезд, как наше Солнце.
Поскольку звезды Поп-3 были такими массивными и горячими, они просуществовали недолго. Никто бы не дожил до наших дней. Но мощный JWST может расширить поиск этих важнейших звезд, оглянувшись назад во времени и обнаружив их древний свет. В этом вся суть проекта JWST-JADES (Усовершенствованное глубокое внегалактическое исследование космического телескопа Джеймса Уэбба).
Исследователи, работающие с данными JADES, обнаружили дразнящие доказательства наличия звезд Поп III в GN-z11, галактике с большим красным смещением, которая является одной из самых далеких галактик от Земли, когда-либо наблюдаемых. Их выводы изложены в статье «JWST-JADES. Возможные сигнатуры популяции III на z=10,6 в ореоле GN-z11». Ведущий автор — Роберто Майолино, профессор экспериментальной астрофизики Кавендишской лаборатории (факультет физики) и Института космологии Кавли Кембриджского университета. Исследование будет опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysicals.
«Обнаружение первого поколения звезд, образовавшихся из первозданного газа в ранней Вселенной, известных как звезды Популяции III (Pop III), является одной из важнейших целей современной астрофизики», — пишут Майолино и его коллеги в своей статье. «Недавние модели предположили, что звезды Поп 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 существовала около 13,4 миллиарда лет назад, что соответствует примерно 400 миллионам лет после Большого взрыва.
Звезды Pop III были массивными и могли быть в 1000 раз массивнее Солнца. Эти массивные звезды должны были быть исключительно горячими, что может дать ключ к разгадке их присутствия. Астрофизики считают, что все это тепло могло дважды ионизировать близлежащий гелий. Поэтому они ищут ожидаемую подпись этого гелия: заметные небулярные линии HeII, называемые эмиссионной линией HeII?1640. Чтобы указать на присутствие звезд Pop III, линии HeII не должны сопровождаться какими-либо линиями металлов.
JWST наблюдал за галактикой с помощью своего NIRSpec-IFU (интегрированного полевого блока) и обнаружил предварительное обнаружение HeII?1640.
Обнаружение линии дважды ионизированного гелия было лишь первым шагом. Звезды Pop III — не единственные объекты, которые могли ионизировать гелий. Чтобы определить, виноваты ли в этом древние звезды, исследователи исследовали галактику и выделили несколько особенностей.
Наряду с HeII?1640 они также обнаружили выбросы Лайман-альфа и CIII, или дважды ионизированный углерод.
На изображениях выше исследователи отмечают несколько особенностей, которые указывают на источник ионизации гелия.
Выбросы HeII показывают шлейф, простирающийся к западу от GN-z11. Это может быть след газа, фотоионизированного активным галактическим ядром галактики (АЯГ). Поскольку CIII там настолько слаб, это может указывать на газ с очень низкой металличностью, фотоионизированный АЯГ.
На изображении также видно сгусток HeII к северо-востоку от GN-z11. Исследователи называют этот комок «самой интригующей» обнаруженной особенностью. Они проанализировали комок на изображении ниже.
Так что же все это значит? Нашли ли исследователи звезды Pop III?
По мнению авторов, спектральная особенность сгустка является убедительным свидетельством фотоионизации звезд Поп III. «Эта длина волны соответствует HeII?1640 при z=10,600 и полностью соответствует красному смещению GN-z11», — пишут они. Такое же излучение было обнаружено на большей территории к северо-востоку, возможно, со вторым, более слабым сгустком.
Авторы утверждают, что АЯГ могло фотоионизировать гелий вблизи центра галактики, но не может объяснить появление HeII дальше. По мнению авторов, звезды Pop III являются лучшим объяснением.
Другим свидетельством существования звезд Поп III является ширина эмиссии линий HeII. Большая ширина предполагает фотоионизацию бедными металлами звездами Pop III, а не звездами Pop II с более высокой металличностью.
Степень ионизации также указывает на определенную массу звезд Поп III, и указанная масса согласуется с моделированием.
Есть еще одна возможность: черная дыра прямого коллапса (DCBH). «Мы также рассмотрели альтернативную возможность фотоионизации DCBH в сгустке HeII», — пишут авторы. Но в этом сценарии ширина выбросов должна быть ниже, хотя и ненамного. «Следовательно, этот сценарий остается еще одной возможной интерпретацией», — пишут авторы.
Если будущие наблюдения подтвердят присутствие звезд Поп-III в GN-z11, это будет очень большим событием. Но даже если нам придется дождаться этого подтверждения, это исследование снова покажет, насколько мощным является JWST.
«Эти результаты продемонстрировали способность JWST исследовать примитивную среду вокруг галактик в ранней Вселенной, обнаруживая удивительные свойства», — заключают исследователи.
