Самые первые звезды Вселенной выполняли важную работу. Они образовались из первичных элементов, созданных Большим взрывом, поэтому не содержали металлов. Им предстояло синтезировать первые металлы и распространить их по близлежащей Вселенной.
JWST добился некоторого прогресса в поиске самых ранних галактик Вселенной. Может ли он иметь такой же успех при поиске первых звезд?
Поиск первых галактик Вселенной — чрезвычайно сложная задача и одна из главных причин создания JWST. Свет от этих древних объектов смещается в красную область инфракрасного диапазона, и JWST превосходно его воспринимает. Выполняя наблюдения в глубоком инфракрасном диапазоне, космический телескоп обнаружил некоторые из самых ранних галактик.
Но первые звезды древнее первых галактик. Первые звезды образовались примерно через 50–100 миллионов лет после Большого взрыва, и их свет положил конец темным векам Вселенной. Астрофизики считают, что эти звезды были чрезвычайно большими — до 1000 солнечных масс.
Новое исследование называется «Обнаружение и характеристика сильно увеличенных звезд с помощью JWST:
Перспективы обнаружения популяции III». Оно будет опубликовано в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества». Ведущий автор — Эрик Закриссон с факультета физики и астрономии Уппсальского университета, Швеция.
«Из-за отсутствия эффективных теплоносителей и фрагментации химически необогащенного газа в эти ранние эпохи считается, что образовавшиеся безметалловые звезды (также известные как популяция III) характеризуются чрезвычайно высокими массами (характерные массы ~ 10 – 1000 солнечных масс). », — пишут авторы.
Чтобы увидеть эти ранние массивные звезды, JWST понадобится помощь гравитационного линзирования. «Гравитационное линзирование может сделать отдельные звезды большой массы видимыми на космологических расстояниях, а несколько чрезвычайно увеличенных звезд в последние годы были обнаружены на красном смещении z ~ 6», — объясняют авторы. При z ~ 6 свету потребовалось более 12,7 миллиардов световых лет, чтобы достичь нас.
Гравитационное линзирование позволяет использовать преимущества ситуаций, когда между нами и объектом, который мы хотим наблюдать, находится массивный объект на переднем плане, например скопление галактик. Когда свет от цели проходит мимо объекта переднего плана, называемого гравитационной линзой, свет увеличивается. Это делает невидимый в противном случае объект видимым.
Первые звезды имеют красное смещение примерно на z=20, и JWST сможет увидеть этот свет, если сможет использовать гравитационное линзирование. Если это возможно, то мощный телескоп начнет предоставлять нам данные наблюдений за период времени в ранней Вселенной, который до сих пор мы понимаем в основном через теорию: Эпоху реионизации (EoR).
Во время EoR во Вселенной доминировал плотный, затемняющий туман из газообразного водорода. Когда сформировались первые звезды, их ультрафиолетовый свет повторно ионизировал газ, позволяя свету распространяться. Это критический шаг в жизни Вселенной, поэтому найти некоторые из древних звезд Поп-3, которые были ответственны за это, является важной целью.
Эти первые звезды привлекательны и в других отношениях, и они сформировали нашу Вселенную. Они были массивными, в миллионы раз ярче Солнца и жили недолго по сравнению с такой звездой, как наше Солнце. Они либо взорвались как сверхновые, либо превратились в черные дыры. Те, что стали черными дырами, поглотили газ и другие звезды и стали первыми квазарами Вселенной. Астрофизики полагают, что эти квазары выросли в результате аккреции и слияния и превратились в сверхмассивные черные дыры, которые закрепляют центры галактик, таких как наш Млечный Путь.
Важную роль сыграли и те, что взорвались как сверхновые. Они создали элементы тяжелее водорода и гелия, а затем распространили эти металлы обратно в космос, когда они взорвались. Звезды, появившиеся позже, содержали некоторые из этих металлов, и металлы также образовали каменистые тела. До появления сверхновых Популяции III не было каменистых планет и, конечно же, не было возможности существования жизни. Таким образом, эти массивные древние звезды, независимо от того, превратились ли они в сверхновые или в черные дыры, помогли подготовить почву для Вселенной, которую мы видим вокруг нас сегодня.
Если JWST пройдет успешно, красивых фотографий этих звездных предков не останется. Вместо этого будут данные. Распутать эти данные и определить, есть ли в них звезды Поп-3, — сложная задача. Эти усилия доводят космический телескоп и ученых, работающих с ним, до предела.
Во-первых, сложно спектроскопически отличить звезды, обогащенные металлами, от бедных металлами звезд Поп-III. Одна из причин заключается в том, что большинство этих массивных звезд, вероятно, состоят из двойных пар, и это усложняет световой сигнал. Другая причина заключается в том, что, если звезды еще относительно молоды, они могут быть окружены туманным водородом, что также затрудняет интерпретацию световых сигналов.
Если JWST сможет найти некоторые из этих звезд, то новаторский телескоп – уже ошеломляющий успех – станет еще более успешным. Он и люди, которые им управляют, методично ставят галочки в списке своих научных целей.
