В астрономии элементы, отличные от водорода и гелия, называются металлами. Хотя это может заставить вашего школьного учителя химии съежиться, для астрономов это имеет смысл. Водород и гелий - два самых легких элемента появились первыми во Вселенной. Они являются атомными остатками большого взрыва и составляют более 99% атомов во Вселенной. Все остальные элементы, от углерода до железа и золота, были созданы в результате астрофизических процессов - таких как ядерный синтез в ядрах звезд, взрывы сверхновых и столкновения белых карликов и нейтронных звезд.
Поскольку подобные астрофизические события происходили на протяжении всей истории Вселенной и продолжают происходить в настоящем, доля металлов во Вселенной со временем увеличилась. Из-за этого одним из способов классификации звезд является количество металлов, которые мы видим в их спектрах. Это известно как металличность звезды. С учетом металличности астрономы подразделяют звезды на три большие группы.
Звезды из популяции I, как и наше Солнце, содержат наибольшее количество металлов. Как правило, это самые молодые звезды, у которых, скорее всего, есть планетные системы. У звезд второй популяции меньше металлов. Это более старая популяция, поэтому большинство из них - красные карлики. В прошлом было много крупных звезд второй популяции, но они давно умерли, большинство из них взорвалось, оставив после себя белых карликов и нейтронные звезды. Остатки облаков взрывов этих мертвых звезд послужили сырьем, из которого сформировалась популяция звезд I как наше Солнце.
Оба этих типа звезд мы видим в Млечном Пути и других галактиках. Но должна быть и третья популяция – звезды прародители, которую мы никогда не видели. Звезды популяции III были бы действительно древними. Они были бы первыми звездами, появившимися во Вселенной, в которых почти не было металлов. Без более тяжелых элементов, увеличивающих их плотность, звезды популяции III, должно быть, были чудовищами. Яркие голубые водородно-гелиевые звезды в сотни раз массивнее нашего Солнца. У них была бы очень яркая, но очень короткая жизнь. Звезды-прабабушки, которые своей насильственной, взрывоопасной кончиной выбросили в космос первые металлы. Все они исчезли задолго до образования нашего Солнца.
Но благодаря конечной скорости света, чем глубже мы заглядываем в космос, тем дальше в прошлое мы можем заглянуть. Астрономы изучили некоторые из самых отдаленных галактик в поисках свидетельств существования этих первых звезд. Теперь, когда космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) включился в работу, астрономы получают потрясающие виды на невероятно далекие галактики. И, согласно недавнему исследованию, одна команда ученых, возможно, обнаружила первый проблеск звезд из популяции III.
Команда изучила спектральные линии из области вблизи галактики, известной как GN-z11. Это одна из самых удаленных от нас галактик, из когда-либо наблюдавшихся. GN-z11 имеет красное смещение около z = 10,6, что означает, что мы видим ее в то время, когда вселенной было всего 400 миллионов лет. Это все еще после того, как, вероятно, сформировались самые первые звезды, поэтому большая часть галактики, вероятно, состоит из звезд второй популяции. Но звезды из популяции III, возможно, все еще формировались в газовом ореоле, окружающем галактику.
Спектральные линии из этой области гало показывают сильную линию HeIIλ1640, которая относится к типу линий, испускаемых гелием, когда он очень горячий. Обычно такой горячий межзвездный газ будет иметь яркие линии от “металлических” элементов, но в этом регионе этого нет. Итак, спектр HeII испускаемый GN-z11, по-видимому, представляет собой смесь газообразных водорода и гелия, которые была сильно чем-то ионизированы.
Одна из возможных причин предполагает, что область гало могла нагреваться активными ядрами галактик (AGN) в центре GN-z11, но расчетная температура газа в гало и его расстояние от галактики на самом деле не соответствуют этой модели.
Альтернативный вариант заключается в том, что регион был ионизирован массивными звездами населения III. Судя по уровню ионизации, эти звезды были бы примерно в 500 раз массивнее Солнца, а такая масса находится в гипотетическом диапазоне масс звезд популяции III.
Этого исследования недостаточно, чтобы доказать наличие звезд из популяции III, но это убедительный аргумент. Нам нужно больше наблюдений за этими далекими галактиками. И благодаря JWST мы начинаем их получать.
Майолино, Роберто и др. “JWST-НЕФРИТЫ. Возможные сигнатуры населения III при z = 10,6 в гало GN-z11.” Препринт arXiv arXiv: 2306.00953 (2023).