Коли у Всесвіті формувалися перші зорі, єдиними доступними матеріалами були первісний водень і гелій, що виникли невдовзі після Великого Вибуху. Астрономи називають ці перші зорі «зорями населення ІІІ типу», і вони були надзвичайно масивними, яскравими та гарячими зірками. Зараз їх немає, і фактично їх існування досі є гіпотетичним. Але якби вони існували, вони мали б залишити свої «відбитки пальців» на сусідньому газі, і астрофізики їх шукають.

Полювання на зорі населення ІІІ є важливим для астрофізики. Ці зорі утворили елементи, які астрономи називають металами, тобто елементи, важчі за водень і гелій. Лише коли ці метали стали поширеними, могли утворитися землеподібні планети. Метали також потрапили в наступне покоління зір, що призвело до вищої металічності, яку астрономи спостерігають в таких зорях, як Сонце.

Оскільки зорі населення III були масивними та гарячими, вони проіснували недовго. Ніхто б не дожив до наших днів. Але потужний космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) може розширити пошук цих важливих зір, озирнувшись у минуле на пошуки їхнього давнього світла. Саме на це завдання спрямовано проєкт JWST-JADES (James Webb Space Telescope Advanced Deep Extragalactic Survey — Передовий глибокий позагалактичний огляд космічного телескопа Джеймса Вебба).

Дослідники, які працюють з даними JADES, знайшли спокусливі докази наявності зір населення III у GN-z11 — галактиці з високим червоним зміщенням, що є однією з найдальших галактик від Землі, які коли-небудь спостерігали. Їхні висновки опубліковані в статті «JWST-JADES. Possible Population III signatures at z=10.6 in the halo of GN-z11» («JWST-JADES. Можливі сигнатури населення III при z=10,6 в гало GN-z11»). Першим автором є Роберто Майоліно (Roberto Maiolino), професор експериментальної астрофізики Кавендішської лабораторії (факультет фізики) та Інституту космології Кавлі Кембриджського університету. Статтю опублікує журнал Astronomy and Astrophysics.

«Пошук першого покоління зір, утворених із незайманого газу в ранньому Всесвіті, відомих як зорі населення III, є однією з найважливіших цілей сучасної астрофізики», — пишуть Майоліно та його колеги у своїй статті. «Останні моделі вказали на те, що зорі населення III можуть утворюватися в кишенях незайманого газу в гало більш розвинених галактик».

GN-z11 є однією з таких галактик. При червоному зміщенні z = 10,6034 JWST бачить галактику такою, якою вона була близько 13,4 мільярдів років тому, що відповідає приблизно 400 мільйонам років після Великого Вибуху.

Зорі населення III були масивними і могли бути в 1000 разів масивнішими, ніж Сонце. Такі масивні зорі були б надзвичайно гарячими, що може дати підказку про їхню присутність. Астрофізики вважають, що все це тепло могло подвійно іонізувати сусідній гелій. Тож вони шукають очікуваний сигнал цього гелію: помітну лінію від туманності двічі йонізованого гелію, яку називають лінією випромінювання HeII 1640. Щоб вказати на наявність зір населення III, лінії HeII не повинні супроводжуватися лініями жодних металів.

JWST спостерігав галактику за допомогою приймача NIRSpec-IFU (Integrated Field Unit) і знайшов натяки на лінію HeII 1640.

Цей графік показує виявлення у спектрі галактики GN-z11 подвійно іонізованого гелію в лінії 1,903 мкм. Авторські права на зображення: Майоліно та ін. 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

Виявлення лінії подвійно іонізованого гелію було лише першим кроком. Зорі населення III — не єдині об’єкти, які могли іонізувати гелій. Щоб визначити, чи це були стародавні зорі, науковці дослідили галактику та виділили кілька особливостей.

Разом з HeII 1640 вони також виявили випромінювання Лайман-альфа (Lyman-alpha) і CIII, тобто подвійно іонізований вуглець.

Ці цифри з дослідження показують виявлення різних викидів. Червона зірка на верхніх зображеннях вказує на положення континууму GN-z11. У нижньому рядку показано лінії, нанесені на зображення від приймача NIRCam космічного телескопа Джеймса Вебба. «Менша експозиція» («fewer exposures») у верхньому рядку вказує на відсутність експозиції у верхніх частинах панелей через помилку наведення телескопа. Авторські права на зображення: Майоліно та ін. 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

На зображеннях, показаних вище, дослідники відзначають кілька особливостей, які є ключами до джерела іонізації гелію. Викиди HeII показують шлейф, що простягається на захід від GN-z11. Це може бути проявом газу, фотоіонізованого активним ядром галактики (active galactic nucleus, AGN). Оскільки сигнал від CIII там дуже слабкий, це може вказувати на газ із дуже низькою металічністю, фотоіонізований AGN.

На зображенні також показано скупчення HeII на північний схід від GN-z11. Дослідники називають цей згусток «найцікавішою» знайденою особливістю. Результати аналізу згустку показано на зображенні нижче.

Цей малюнок із статті про результати дослідження показує спектри згустку HeII. Спостережувані випромінювання (сині) збігаються з очікуваними випромінюваннями від галактики при червоному зміщенні z=10,600. Авторські права на зображення: Майоліно та ін. 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

Отже, що це все означає? Чи знайшли дослідники зорі населення III?

На думку авторів, спектральна характеристика згустку є переконливим доказом фотоіонізації зір населення III. «Ця довжина хвилі відповідає HeII 1640 при z=10,600, і вона повністю узгоджується з червоним зміщенням GN-z11», — пишуть вони. Те саме випромінювання було виявлено на більшій ділянці на північному сході, можливо, з другим, слабшим згустком.

Автори стверджують, що активне ядро галактики могло фотоіонізувати гелій поблизу центра галактики, але його дією не може пояснити існування HeII на далекій відстані. На думку авторів, найкращим поясненням є зорі населення III.

Інші докази наявності зір населення III походять із ширини випромінювання ліній HeII. Велика ширина свідчить про фотоіонізацію зорями населення III з бідним вмістом металів, а не зорям населення II з вищою металічністю. Ступінь іонізації також вказує на певну масу зір населення III, і вказана маса узгоджується з моделюванням.

Є ще одна можливість: чорна діра прямого колапсу (direct collapse black hole, DCBH). «Ми також розглянули альтернативну можливість фотоіонізації DCBH у згустку HeII», — пишуть автори. Але ширина випромінювання має бути нижчою в цьому сценарії, хоча й не набагато. «Отже, цей сценарій є ще однією можливою інтерпретацією», — пишуть автори.

Якщо майбутні спостереження підтвердять присутність зір населення III у GN-z11, це буде досить велика справа. Але навіть якщо нам доведеться чекати такого підтвердження, це дослідження знову показує, яким потужним є космічний телескоп Джеймса Вебба.

«Ці результати продемонстрували здатність JWST досліджувати примітивне середовище навколо галактик у ранньому Всесвіті, відкриваючи захопливі властивості», — підсумовують дослідники.

За інф. з сайту www.universetoday.com