Астрономи, використовуючи можливості космічного телескопа імені Джеймса Вебба, можливо, виявили одні з найперших зір Всесвіту – об’єкти, що здатні пролити світло на фундаментальні процеси формування галактик. Завдяки цьому потужному орбітальному інструменту, запущеному NASA, ESA та CSA у 2021 році, та феномену, вперше передбаченому Альбертом Ейнштейном, науковці помітили ці ранні світила, відомі як зорі Популяції III, у далекому скупченні під назвою LAP1-B, що знаходиться на відстані 13 мільярдів світлових років від нашої планети. Результати своїх досліджень вони оприлюднили 27 жовтня у виданні «The Astrophysical Journal Letters» – рецензованому науковому журналі, що публікує термінові звіти про значні астрофізичні відкриття.
Загадка першозір
Зорі Популяції III – іноді їх також називають темними зорями – згідно з теорією, були одними з найперших світил, що утворилися після Великого Вибуху, що стався приблизно 13,8 мільярда років тому. Теорія Великого Вибуху є провідною космологічною моделлю, яка описує ранні стадії розвитку Всесвіту, його розширення з надзвичайно щільного і гарячого стану. Ці першозорі, як вважається, сформувалися з водню та гелію – найлегших елементів, що утворилися в перші хвилини існування космосу – у поєднанні з темною матерією. Темна матерія – це гіпотетична форма матерії, яка не випромінює, не поглинає і не відбиває світла, а її присутність виявляється лише за гравітаційними ефектами. Зорі Популяції III були колосальними – їхня маса, за припущеннями, перевищувала масу Сонця у мільйон разів, а яскравість – у мільярд.
Докази існування прадавніх світил
Існує кілька визначальних обставин, чому команда дослідників припускає, що світила, виявлені телескопом Джеймса Вебба, належать до Популяції III. Елі Вісбал, провідний автор дослідження та астрофізик, доцент Університету Толедо у штаті Огайо, пояснив, що спектри цих зір – показники їхнього складу на основі світла, яке вони поглинають і випромінюють – демонстрували емісійні лінії, що вказували на велику кількість високоенергетичних фотонів. Це повністю відповідає теоретичним передбаченням для зір Популяції III. Крім того, спектри свідчили про надзвичайно великий розмір цих об’єктів – кожен із них сягав близько 100 сонячних мас, що також збігається з деякими теоретичними розрахунками. «Якщо це дійсно зорі Популяції III, то це перше виявлення цих первинних світил», – зазначив Вісбал.
Раніше вже були припущення про спостереження телескопом Вебба зір Популяції III. Наприклад, дослідження, опубліковане у березні 2024 року, вказувало на можливе виявлення таких об’єктів у галактиці GN-z11, яка сформувалася лише через 430 мільйонів років після самого Всесвіту. Однак, поточне дослідження наголошує, що виявлення LAP1-B є унікальним, оскільки воно відповідає трьом теоретичним передумовам для зір Популяції III. По-перше, вони сформувалися в середовищі з низьким вмістом металів (водень та гелій) за температури, придатної для зореутворення. По-друге, світила виникли у маломасивних скупченнях, де було присутньо лише кілька дуже великих зір. І по-третє, скупчення відповідає математичним умовам початкової функції мас – показника того, як маси зір були розподілені серед популяції в момент їхнього формування.
Гравітаційне лінзування – погляд у минуле
Космічний телескоп Джеймса Вебба був необхідним для цих спостережень, адже його 6,5-метрове дзеркало дає змогу виявляти тьмяні об’єкти на неймовірних відстанях. Але те, що допомогло скупченню LAP1-B з’явитися у полі зору, було явище, відоме як гравітаційне лінзування. Гравітаційне лінзування – це феномен, при якому світло від далекого джерела викривляється і посилюється масивним об’єктом, що знаходиться між джерелом і спостерігачем. Воно відбувається, коли надзвичайно масивний об’єкт, такий як галактика або скупчення галактик, вигинає простір-час навколо себе, а далекий фоновий об’єкт розташовується у відповідній точці. Коли світло від далекого фонового об’єкта проходить через “викривлення”, створене об’єктом на передньому плані, фонове світло спотворюється у кільця або дуги. Це явище іноді називають кільцем Ейнштейна, оскільки воно підтверджує те, що видатний фізик-теоретик Альберт Ейнштейн, автор теорії відносності, передбачив понад століття тому.
У цьому конкретному випадку, LAP1-B стало видимим, коли ближче скупчення галактик, назване MACS J0416, пройшло перед ним і “пролінзувало” світло від LAP1-B. MACS J0416 – це одне з наймасивніших відомих скупчень галактик, розташоване приблизно за 4,3 мільярда світлових років від Землі, і його величезна маса діє як потужна гравітаційна лінза.
Телескоп Джеймса Вебба також надав можливість для спостереження емісійних ліній від зір. Спочатку ці лінії випромінювалися в ультрафіолетовому діапазоні, але потім, через розширення Всесвіту, їхні довжини хвиль розтягнулися до інфрачервоного. Оскільки телескоп оптимізований для інфрачервоних спостережень, це дало змогу виявити ці давні світила.
Фундаментальне значення для розуміння Всесвіту
Окрім винятковості самої знахідки цих зір, LAP1-B допомагає наочно продемонструвати, як розвивалися галактики. Оскільки зорі Популяції III, як очікується, формувалися у невеликих структурах темної матерії, які також були будівельними блоками для більших галактик, «вони навчають нас про найраніші стадії формування та еволюції галактик – наприклад, про те, як метали забруднювали початковий, незайманий водень і гелій», – підсумував Вісбал. Це відкриття має основоположне значення для розуміння загадкової космічної історії.
