Астрономи знайшли перші зірки нашого Всесвіту. Чим вони цікаві і чому це — потенційно надважливе відкриття?

Зоряне населення III — що це таке?

Існують як непрямі докази існування зоряного населення ІІІ на кшталт космічного мікрохвильового фонового випромінювання та великої кількості певних елементів у Всесвіті, а тому багато вчених впевнені, що рано чи пізно нам вдасться натрапити на їхній слід.

У ранньому Всесвіті не було важких елементів на кшталт вуглецю, кисню або заліза. Вони з’явилися вже потім — і дослідники вважають, що завдячувати цьому ми маємо саме найпершим зіркам.

Теоретики вважають, що ці зорі мали б формуватися виключно з газів водню та гелію, яких у ранньому Всесвіті було вдосталь. Одразу після Великого вибуху температура Всесвіту поступово почала падати, що дозволило атомам водню та гелію поступово формуватися в невеличкі грудки. Там у гру вступала сила тяжіння, яка стискала ці газові хмари все більш щільно, поки всередині них не пішов процес ядерного синтезу — поступового спалювання газу з виділенням енергії у навколишнє середовище.

Після спалювання усього доступного палива зірки вибухають та засіюють Всесвіт все більшою кількістю важких елементів, з яких формуються наступні покоління зірок. Вони, у свою чергу, продовжують процес формування важчих елементів, що і стало поштовхом до подальшої еволюції нашого світу — утворення «багатих» зірок населення I (наприклад, наше Сонце), планет, астероїдів та, зрештою, життя як такого.

Вчені вважають, що ці зірки могли вирости до величезних розмірів — вони були у сотні або навіть сотні тисяч разів більшими за Сонце. Найбільші з них цілком могли б охопити усю Сонячну систему. Водночас найменші з них були б надзвичайно у десятки разів гарячішими за нашу зірку.

Саме для того, щоб побачити ці перші кроки дорослішання нашого світу, вчені сподіваються знайти ці найдавніші зірки. Вивчивши їх, ми б краще розуміли процес формування перших галактик, а також загальну структуру та еволюцію Всесвіту.

Що побачили дослідники?

Оскільки ці зірки існували дуже давно і далеко, пошук доказіва їхнього існування — це справжня головоломка для дослідників. У 1999 році астрономи з Університету Колорадо в Боулдері визначили, що зірки населення ІІІ треба шукати за випромінюванням гелію II — іонізованій формі газу, яка втратила один електрон через вплив надвисоких температур.

У 2015 році команда американо-нідерландських астрофізиків знайшла сигнатуру гелію II у далекій галактиці, яка з’явилася приблизно через 800 млн років після Великого вибуху. Проте пізніше інша дослідницька група заперечила ці висновки, адже вони знайшли докази існування кисню у галактиці — більш складної сполуки, якої не існувало в часи найперших зірок; натомість слідів гелія II їм побачити не вдалося.

Проте нещодавно до роботи приступив телескоп імені Джеймса Вебба — один із найперспективніших і водночас найдорожчих проєктів останнього часу. Фахівці NASA працювали над ним більше 20 років, а загальний бюджет перевищив $10 млрд — проте вже перші пів року роботи телескопа показали, що все це було не марно. Його величезне дзеркало та неймовірна чутливість до інфрачервоного світла дозволяють нам бачити крізь газові хмари та вивчати ранній Всесвіт у безпрецедентній ясності. Вона далека від ідеальної — все ж таки це мільярди світлових років — проте все одно набагато краща за усі наявні інструменти.

Це відкрило для вчених перспективу використання техніки гравітаційного лінзування для пошуку прадавніх зірок.

Якщо коротко, то гравітаційною лінзою може виступати будь-який масивний об'єкт, як-от галактика чи величезна зірка. Силою своєї гравітації ця «лінза» деформує та збільшує світло об'єктів, що знаходяться за ним, що дозволяє вченим вдивлятися у найпотаємніші закутки космосу.

Астроном Рогір Віндхорст очолює програму космічного телескопа імені Джеймса Вебба, яка шукає зірки Населення III за допомогою цієї техніки. Виданню Quanta Magazine вчений розповів про свою впевненість, що вже за рік-два його команда представить перші результати, оскільки у них вже зібрався цілий каталог з потенційними кандидатами.

Ще одна фішка телескопу імені Джеймса Вебба — це можливість проводити спектроскопію, тобто розбивати світло, яке йде від галактик та зірок, на хвилі різної довжини. У такий спосіб вчені можуть шукати сліди хімічних елементів, як от гелія II.

Міжнародна команда вчених під керівництвом астронома з Китайської академії наук у Пекіні Сіня Вана проаналізувала дані спектроскопії понад 2000 об'єктів, які встиг вивчити телескоп. Одна з них — це галактика RXJ2129-z8HeII, яка з’явилася через 620 млн років після Великого вибуху (це робить її однією із найстарших досліджуваних галактик) та знаходиться на відстані близько 13 мільярдів світлових років від Землі.

Дослідники пояснюють, що галактика розколота на дві частини. У одній з них астрономи помітили світло, яке може виходити саме з гелію II, перемішане з сигналами від інших елементів. Причому сила світла, яке видає гіпотетичний гелій II значно вища, ніж та, що зазвичай спостерігається в галактиках на подібних відстанях. Гіпотетично це може вказувати на те, що у цій галактиці існують різні зірки — як Населення III, так і більш молоді.

Другу половину цієї галактики ще не аналізували, проте її яскравість натякає, що там вчені також мають усі шанси знайти щось цікаве. Зараз команда намагається отримати додатковий час для роботи з телескопом імені Джеймса Вебба, щоб дослідити усю галактику більш детально та «мати шанс підтвердити наявність таких об'єктів».

Поки що рано впевнено казати про успіх цього дослідження, хоча воно дійсно виглядає перспективним, стверджує Деніел Велен, астрофізик з Портсмутського університету. За його словами, подібні сигнали, що побачила команда Вана, можна іноді зафіксувати біля деяких чорних дір, а тому додаткова перевірка даних дійсно необхідна перш ніж казати про відкриття прадавніх зірок.