Астрономы продолжают поиски звёзд населения III — самых первых светил Вселенной, которые сформировались исключительно из первичного водорода и гелия без примесей элементов тяжелее этих двух. Согласно теоретическим моделям, такие звёзды должны были быть чрезвычайно массивными, а их жизненный цикл завершался мощными взрывами. Новое исследование, подготовленное Тэ Бон Джоном из Центра космического фронтира Техасского университета в Остине и доступное в виде препринта на arXiv, рассматривает, насколько массивными могут быть подобные звёздные вспышки и способен ли космический телескоп «Джеймс Уэбб» зафиксировать хотя бы одну из них.
На сегодняшний день «Джеймс Уэбб» обнаружил лишь косвенные признаки таких объектов, причём в гораздо более поздние эпохи, чем предсказывали модели, созданные до запуска телескопа. Некоторые галактики близ завершения эпохи реионизации демонстрируют особенности, которые могут быть связаны с первичными звёздными вспышками, однако они наблюдаются на сотни миллионов лет позже ожидаемого времени. Для объяснения этого феномена необходимо, чтобы облака водорода и гелия избежали двух ключевых угроз: слишком раннего коллапса и загрязнения металлами от соседних сверхновых.
В ранней Вселенной первичные газовые облака могли сжиматься под действием собственной гравитации только при условии охлаждения. Обычно при достижении определённой плотности они нагревались, и тепло заставляло их расширяться обратно. Единственным доступным «охлаждающим агентом» выступал молекулярный водород, который позволял тёмной материи стягивать достаточное количество газа для запуска термоядерных реакций. В более поздние эпохи молекулярного водорода стало больше, поэтому звёзды населения III должны были формироваться легче и выгорать задолго до периодов, где их сейчас ищет «Джеймс Уэбб».
Одним из решений этой загадки может быть снижение количества молекулярного водорода вблизи газовых облаков. Такой механизм существует и называется излучением Лаймана — Вернера. Это мягкие ультрафиолетовые фотоны, которые при контакте разрывают молекулы водорода, превращая их в атомарный водород, значительно менее эффективный для охлаждения. Если облако подвергается воздействию такого излучения, формирование звёзд задерживается до стадии «атомного охлаждения», когда масса материала становится настолько большой, что атомарный водород провоцирует катастрофический коллапс.
Чтобы проверить этот механизм, авторы смоделировали гало тёмной материи в процессе охлаждения перед коллапсом и подвергли его воздействию излучения Лаймана — Вернера разной интенсивности. В результате сформировалась отчётливая структура: внешние слои гало оставались чрезвычайно горячими из-за длительного облучения ультрафиолетом, тогда как внутреннее ядро становилось более плотным и играло роль щита. По сути, внешний слой принимал основную тепловую нагрузку, а внутренний охлаждался и в итоге формировал звезду. Металлы от сверхновых также присутствуют в эти эпохи, но распространяются значительно медленнее: излучение от соседних сверхновых достигает первичных облаков на сотни миллионов лет быстрее, чем частицы металлов, способные превратить их в звёзды населения II.
Различение звёздных вспышек населения III и их более обычных аналогов населения II остаётся технически сложной задачей. Расчёты авторов показывают, что с помощью гравитационного линзирования современное оборудование способно улавливать такие вспышки, однако для этого требуется значительная удача — искомый объект должен оказаться точно на линии с галактикой-линзой. Вероятность снижается и редкостью условий, необходимых для формирования подобных вспышек: интенсивное ультрафиолетовое облучение и нетронутый, не загрязнённый металлами газ. Тем не менее авторы подсчитали, что в ходе обзоров вроде GLIMPSE, специально предназначенного для использования гравитационных линз, исследователи могли бы обнаружить до девяти таких поздно сформировавшихся вспышек населения III.