Астрономы нашли первые звезды нашей Вселенной. Чем они интересны и почему это — потенциально сверхважное открытие?

Звездное население III — что это такое?

Существуют как косвенные доказательства существования звездного населения ІІІ вроде космического микроволнового фонового излучения и большого количества определенных элементов во Вселенной, поэтому многие ученые уверены, что рано или поздно нам удастся встретить их след.

В ранней Вселенной не было тяжелых элементов типа углерода, кислорода или железа. Они появились уже потом — и исследователи считают, что благодаря этому мы имеем самые первые звезды.

Теоретики считают, что эти звезды должны формироваться исключительно из газов водорода и гелия, которых в ранней Вселенной было достаточно. Сразу после Большого взрыва температура Вселенной постепенно начала падать, что позволило атомам водорода и гелия постепенно формироваться в небольшие комки. Там в игру вступала сила тяжести, сжимавшая эти газовые облака все более плотно, пока внутри них не пошел процесс ядерного синтеза — постепенного сжигания газа с выделением энергии в окружающую среду.

После сжигания всего доступного топлива звезды взрываются и засеивают Вселенную все большим количеством тяжелых элементов, из которых формируются следующие поколения звезд. Они, в свою очередь, продолжают процесс формирования более тяжелых элементов, что и стало толчком к дальнейшей эволюции нашего мира «богатых» звезд населения I (например, наше Солнце), планет, астероидов и, наконец, жизни как таковой.

Ученые считают, что эти звезды могли вырасти до огромных размеров — они были в сотни или даже сотни тысяч раз больше Солнца. Самые большие из них вполне могли бы охватить всю солнечную систему. В то же время самые маленькие из них были бы чрезвычайно в десятки раз горячее нашей звезды.

Именно для того, чтобы увидеть эти первые шаги взросления нашего мира, ученые надеются найти эти древнейшие звезды. Изучив их, мы лучше понимали бы процесс формирования первых галактик, а также общую структуру и эволюцию Вселенной.

Что увидели исследователи?

Поскольку эти звезды существовали очень давно и далеко, поиск доказательства их существования — настоящая головоломка для исследователей. В 1999 году астрономы из Университета Колорадо в Боулдере определили, что звезды населения ІІІ нужно искать по излучению гелия II — ионизированной форме газа, потерявшей один электрон из-за влияния сверхвысоких температур.

В 2015 году команда американо-нидерландских астрофизиков нашла сигнатуру гелия II в далекой галактике, появившейся примерно через 800 млн лет после Большого взрыва. Однако позже другая исследовательская группа отрицала эти выводы, ведь они нашли доказательства существования кислорода в галактике — более сложного соединения, которого не было во времена первых звезд; вместо этого следов гелия II им увидеть не удалось.

Однако недавно к работе приступил телескоп имени Джеймса Уэбба — один из самых перспективных и одновременно дорогих проектов последнего времени. Специалисты NASA работали над ним более 20 лет, а общий бюджет превысил $ 10 млрд — однако уже первые полгода работы телескопа показали, что все это было не зря. Его огромное зеркало и невероятная чувствительность к инфракрасному свету позволяют нам видеть сквозь газовые облака и изучать раннюю Вселенную в беспрецедентной ясности. Она далека от идеальной — все же это миллиарды световых лет — однако все равно гораздо лучше всех имеющихся инструментов.

Это открыло для ученых перспективу использования техники гравитационного линзирования для поиска древнейших звезд.

Если коротко, то гравитационной линзой может выступать любой массивный объект, например галактика или огромная звезда. Силой своей гравитации эта «линза» деформирует и увеличивает свет находящихся за ним объектов, что позволяет ученым всматриваться в самые сокровенные уголки космоса.

Астроном Рогир Виндхорст возглавляет программу космического телескопа имени Джеймса Уэбба, которая ищет звезды Население III с помощью этой техники. Изданию Quanta Magazine ученый рассказал о своей уверенности, что уже через год-два его команда представит первые результаты, поскольку у них уже собрался целый каталог с потенциальными кандидатами.

Еще одна фишка телескопа имени Джеймса Уэбба — это возможность проводить спектроскопию, то есть разбивать свет, исходящий от галактики и звезд, на волны разной длины. Таким образом, ученые могут искать следы химических элементов, как, например, гелия II.

Международная команда ученых под управлением и руководством астронома из Китайской академии наук в Пекине Синя Вана проанализировала данные спектроскопии более 2000 объектов, которые успел изучить телескоп. Одна из них — это галактика RXJ2129-z8HeII, появившаяся через 620 млн лет после Большого взрыва (это делает ее одной из старейших исследуемых галактик) и находится на расстоянии около 13 миллиардов световых лет от Земли.

Исследователи объясняют, что галактика расколота на две части. В одной из них астрономы заметили свет, который может исходить именно из гелия II, перемешанного с сигналами от других элементов. Причем сила света, который выдает гипотетический гелий II значительно выше, чем обычно наблюдается в галактиках на подобных расстояниях. Гипотетически это может указывать на то, что в этой галактике существуют разные звезды — как населения III, так и более молодые.

Вторую половину этой галактики еще не анализировали, однако ее яркость намекает, что там у ученых также есть все шансы найти что-то интересное. Сейчас команда пытается получить дополнительное время для работы с телескопом имени Джеймса Уэбба, чтобы исследовать всю галактику более подробно и иметь шанс подтвердить наличие таких объектов.

Пока рано уверенно говорить об успехе этого исследования, хотя оно действительно выглядит перспективным, утверждает Дэниел Велен, астрофизик из Портсмутского университета. По его словам, подобные сигналы, которые увидела команда Вана, можно иногда зафиксировать возле некоторых черных дыр, поэтому дополнительная проверка данных действительно необходима прежде чем говорить об открытии древних звезд.