В данных космического телескопа «Джеймса Уэбба» ученым удалось отыскать самых многообещающих кандидатов на роль первых звезд. Эти светила, сформировавшиеся из первичного газа, существенно изменили химический состав молодой Вселенной, заложив основу для будущего многообразия, включая планеты и жизнь. Если исследователи действительно сумели найти такие древние объекты, это откроет новую страницу в наблюдательной астрономии.
Согласно современным научным представлениям, Вселенная появилась в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад. Сперва она была заполнена лишь горячим и плотным «супом» из элементарных частиц, который постепенно остывал. В первые минуты после Большого взрыва происходил первичный нуклеосинтез — процесс образования атомных ядер, в результате которого сформировались ядра легких элементов: в основном водорода и гелия.
Спустя несколько сотен миллионов лет облака водорода и гелия стали сжиматься под действием гравитации, что привело к образованию первых светил, так называемых звезд поколения III. Эти светила были массивными и горячими по сравнению с типичными современными звездами. Постепенно в их ядрах запустились ядерные реакции, результатом которых стали рождение тяжелых элементов.
Когда звезды поколения III исчерпали топливо в своих недрах, они взрывались как сверхновые. При этом происходил краткий, но колоссальный всплеск энергии. Во время взрыва и в последующих процессах образовывались металлы: элементы вплоть до железа формировались в ядрах звезд, а более тяжелые, например золото, уран — в основном в r-процессе (в том числе и при слиянии нейтронных звезд).
Ударная волна сверхновой разносила эти элементы по космическому пространству. Газ и пыль, обогащенные тяжелыми металлами, смешивались с «первозданным» водородом и гелием. Из этой смеси формировалось следующее поколение звезд — поколение II, а уже позже возникли более обогащенные металлами светила поколения I.
Считается, что звезды поколения III появились примерно через 100–400 миллионов лет после Большого взрыва, а к моменту, когда Вселенной исполнилось приблизительно 800 миллионов лет, большинство уже погасло. Найти их сегодня — значит увидеть начало химии космоса. Похоже, такие светила удалось обнаружить международной группе астрономов под руководством Эли Висбала (Eli Visbal) из Университета Толедо в США.
Висбал и его коллеги проанализировали данные, собранные космическим телескопом «Джеймс Уэбб», о далекой галактике LAP1-B, свет от которой шел до Земли почти 13 миллиардов лет. Исследовать объект на таком расстоянии — невероятная удача. Ученым помог эффект гравитационного линзирования. Массивное скопление галактик, расположенное между объектом и Землей, выступило в роли гигантской гравитационной линзы и усилило свет LAP1-B.
Спектральный анализ LAP1-B показал, что она сильно отличается от современных галактик. В ней мало «тяжелых» элементов и оттуда исходит очень «жесткое» ионизирующее излучение — то есть много высокоэнергетичных фотонов, которые производятся горячими, массивными звездами. Иными словами, астрономы обнаружили признаки, согласующиеся с теми, что в LAP1-B доминируют горячие, массивные и малометалличные звезды. То есть нашли свойства, которые, согласно разного рода моделям, характерны для светил поколения III.
Вторым ключевым аргументом в пользу этой гипотезы стала масса звездного скопления LAP1-B. Расчеты показали, что общая масса звезд в этой галактике эквивалентна всего нескольким тысячам масс Солнца, что очень мало по галактическим меркам. Другие кандидаты на роль первых звезд, которые предлагались ранее, обладали гораздо большей звездной массой, что противоречило компьютерным моделям формирования таких светил. Скромные размеры LAP1-B идеально вписываются в эти симуляции.
Кроме того, Висбал и его команда посчитали, сколько таких древних звездных скоплений можно «увидеть » с помощью гравитационного линзирования в конкретном участке неба, где открыли LAP1-B, и на таком огромном расстоянии от Земли — то есть в ту эпоху, когда Вселенной было почти 800 миллионов лет. Расчеты показали, что можно найти примерно одно такое скопление. Проще говоря, теория и наблюдения совпали идеально: ученые предсказали, сколько подобных объектов должны открыть, и обнаружили ровно столько же.
Однако открытие команды Висбала вызвало неоднозначную реакцию в научном сообществе. Сомнения связаны с возрастом LAP1-B. Согласно общепринятым моделям, большинство звезд поколения III должны были родиться и умереть в период между 100 и 400 миллионами лет после Большого взрыва. Для эпохи, когда Вселенной было 800 миллионов лет, появление таких светил кажется запоздалым. К этому времени пространство уже могло обогатиться тяжелыми элементами от предыдущих вспышек сверхновых.
Авторы научной работы объяснили «нестыковку» тем, что, по их мнению, во Вселенной сохранились изолированные «карманы» первичного газа, где звездообразование началось с задержкой. В таких «карманах» звезды поколения III могли сформироваться значительно позже.
Отметим, астрономы не наблюдали звезды в LAP1-B напрямую, а исследовали «суммарный» свет скопления и по нему делали выводы о свойствах светил. Поэтому это скорее косвенные доказательства, к которым нужно относиться с осторожностью. Похожие спектральные характеристики могли дать и другие объекты: аккрецирующие черные дыры, двойные звездные системы, либо популяции очень малометалличных звезд (поколение II).
В любом случае, ученые планируют продолжить наблюдения, чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу. Им нужны более глубокие данные и детальные компьютерные симуляции, которые позволят различить химический состав звезд LAP1-B и точно определить их происхождение.