Хмари газу, що дрейфують раннім Всесвітом, дали змогу астрономам побачити залишки найперших зірок, які коли-небудь народжувалися.
Не самі зірки; вони давно зникли, гаряче й швидко горять перед тим, як вибухнути у вогні наднової слави, надто далекому, щоб наші інструменти могли його виявити. Однак матеріал, який вони залишають після цих вибухів, оголює продукти атомного синтезу, який відбувся в їх ядрах.
«Вперше в історії, — каже астроном Андреа Саккарді з Паризької обсерваторії, — ми змогли визначити хімічні сліди вибухів перших зірок у дуже віддалених газових хмарах».
Згідно з прийнятою на сьогодні космологією, в історії Всесвіту був час, коли все було темним і похмурим. Всесвіт – набагато менший тоді, близько 13,8 мільярдів років тому – був наповнений гарячим каламутним туманом іонізованого газу, який перешкоджав світлу подорожувати Всесвітом. Будь-які фотони просто розсіялися б на вільних електронах.
Коли Всесвіт достатньо охолонув, протони й електрони рекомбінувалися в нейтральні гелій і водень. Лише після народження перших зірок і галактик, ультрафіолетове випромінювання яких реіонізувало нейтральний водень, світло могло вільно проходити по всьому електромагнітному спектру.
Ми вважаємо, що ці перші зірки з’явилися 13,7–13,5 мільярдів років тому, але насправді ми їх ніколи не бачили. Ми називаємо їх зірками Популяції III, і вони, ймовірно, дуже відрізнялися від зірок, які ми бачимо навколо нас сьогодні.
Вони могли бути масивними, а це означає, що вони швидко згоріли б, закінчившись вибухами наднових, які викинули б їхній вміст у космос, щоб його було використано в наступному поколінні утворення зірок.
Але для виробництва важких елементів потрібні зірки. Зірки Популяції III складалися переважно з водню та гелію, тому що це все, що було у Всесвіті, коли вони народилися (плюс мінімальні сліди літію, третього найлегшого елемента).
Але ядерні заводи в їх ядрах злили атоми цих елементів, щоб створити важчі, такі як вуглець, кисень і магній; ці елементи потім поширилися в космос, коли зірка вибухнула.
Оскільки зірок давно немає, ми не можемо вивчати їх безпосередньо, хоча астрономи сподіваються, що одного дня ми зможемо це зробити. Однак це не означає, що всі їхні сліди зникли.
«Початкові зірки можна вивчати опосередковано, виявляючи хімічні елементи, які вони розсіювали у своєму середовищі після своєї смерті», — каже астрофізик і космолог Стефанія Сальвадорі з Флорентійського університету в Італії.
Щоб знайти нутрощі первісних зірок, Саккарді та його колеги використовували інструмент X-shooter на Дуже Великому Телескопі Європейської Південної Обсерваторії для аналізу світла дуже яскравих віддалених галактик, відомих як квазари.
Коли це світло рухається в просторі, іноді воно подорожує крізь хмари матеріалу. Це може дещо змінити світло, зробивши деякі частини спектру яскравішими або тьмянішими, оскільки довжини хвиль поглинаються та повторно випромінюються елементами в хмарах.
Вчені можуть ретельно вивчити ці сигнатури в спектрі та пов’язати їх із певними елементами. Дослідники зібрали спостереження за 54 такими хмарами матеріалу та шукали сліди елементів, які, ймовірно, будуть розкидані в космосі зірками Популяції III, у поєднанні з низьким рівнем більш важких елементів, таких як залізо.
Вони знайшли сигнатуру, яку шукали, у трьох хмарах, що датуються періодом від 1 до 2 мільярдів років після Великого вибуху.
Ці три хмари мали високий вміст вуглецю та кисню, а також співвідношення магнію та кремнію до заліза, які чудово узгоджувалися з давніми сусідніми зірками з дуже низьким вмістом важких елементів.
Крім того, надлишок магнію та кремнію відповідає низькоенергетичним надновим, очікуваним для первинних зірок .
Результати свідчать про те, що хоча ми ще не побачимо зірок Популяції III в дикій природі, можна знайти їхні залишки. І, маючи досить потужні інструменти, ми можемо досліджувати ці сліди, щоб дізнатися більше про еволюцію матерії у Всесвіті, оскільки зірки з часом змінюють елементарну кількість речовин навколо нас.
«Наше відкриття відкриває нові шляхи для непрямого вивчення природи перших зірок, повністю доповнюючи дослідження зірок у нашій галактиці», — каже Сальвадорі.
Дослідження опубліковано в The Astrophysical Journal.
