На відстані, яку світло долало понад 13 мільярдів років, астрономи знайшли газовий згусток, що може приховувати сліди найпершого покоління зірок у Всесвіті. Об'єкт отримав неформальну назву Hebe і був вперше помічений у 2024 році поруч із галактикою GN-z11 — яскравим об'єктом, який живить надмасивну чорну діру. Нове дослідження команди з Техаського університету в Остіні перевіряє, наскільки правдоподібна ця версія порівняно з альтернативами.
Що таке Hebe і чому це цікаво
Hebe виглядає як помітна пляма гелієвого випромінювання поруч із GN-z11 — на зображеннях JWST вона видима в одному з фільтрів, але зникає в інфрачервоному діапазоні. Це вказує на дуже специфічне джерело світла: лінії рекомбінації гелію, які виникають, коли атоми гелію іонізуються жорстким випромінюванням, а потім знову захоплюють електрони.
Об'єкт спостерігається таким, яким він був усього через 450 мільйонів років після Великого вибуху — епоха, коли, за теоретичними уявленнями, у Всесвіті мали існувати зірки Населення III (Pop III). Це гіпотетичне перше покоління світил, які утворилися з абсолютно "чистого" газу — водню, гелію і невеликої домішки літію, без жодних важчих елементів, що з'являються лише після спалахів наднових. Такі зірки, ймовірно, були масивнішими за сучасні і випромінювали значно жорсткіше ультрафіолетове світло — саме те, що потрібно для іонізації гелію.
Дві конкуруючі версії
Автори дослідження — Джунхьон Джон, Тае Бонг Джонг, Сайян Чжан і Волкер Бромм — побудували моделі для двох можливих джерел випромінювання Hebe.
Перша версія: скупчення зірок Населення III. Команда розрахувала максимально можливу масу такого скупчення, враховуючи, що на нього впливає й потік випромінювання з Лаймана—Вернера від сусідньої галактики GN-z11, розташованої лише за 10 000 світлових років. Це випромінювання може або сприяти утворенню нових зірок, або, навпаки, руйнувати молекулярний водень, необхідний для їхнього народження, тож його врахування критично важливе для оцінки маси скупчення.
Друга версія: акреційна надмасивна чорна діра всередині газової хмари. Це може бути так звана чорна діра прямого колапсу (яка утворюється безпосередньо з газу, минаючи стадію зірки) або первісна чорна діра, що виникла ще на ранніх етапах існування Всесвіту. Модель описує спектральний розподіл енергії, який виникає при акреції первісного газу на таку чорну діру.
Які результати показали моделі
Модель з чорною дірою виявилася гнучкою: підбираючи розумні значення маси чорної діри, густини газу і темпу акреції, вдавалося відтворити окремі виміри потоку випромінювання з даних JWST. Проблема в іншому — модель не змогла одночасно узгодити всі виміри разом. Тобто підігнати одну точку даних вдавалося ціною розбіжності з іншою.
Натомість модель скупчення зірок Населення III масою в кілька сотень тисяч мас Сонця дала найкраще узгодження з усім набором спостережних даних JWST одразу.
Дослідники додатково перевірили третій сценарій — популяцію зірок другого покоління (Населення II), які вже містять помітну домішку важких елементів на відміну від "чистих" Pop III. Ця модель теж непогано підійшла до даних, але з важливим застереженням: щоб забезпечити потрібний рівень випромінювання, знадобилося б близько 10 мільйонів таких зірок. Стільки зірок мали б створювати помітний безперервний спектр (континуум), який JWST мав би вже зафіксувати. Поки що такого сигналу не видно, що робить цей сценарій менш переконливим.
Скупчення зірок Населення III масою в кілька сотень тисяч мас Сонця забезпечило найкраще узгодження з даними JWST серед усіх перевірених сценаріїв.
Що далі
Автори наголошують, що гіпотези не обов'язково взаємовиключні: Hebe цілком може приховувати одночасно і первісну чорну діру, і невелику кількість зірок Населення III. Наразі версія з першими зірками залишається провідним поясненням, оскільки найкраще узгоджується з наявними спостереженнями, але остаточної визначеності немає.
Незалежно від того, що саме живить характерне гелієве випромінювання Hebe, цей об'єкт залишається рідкісним вікном у добу, коли Всесвіт тільки-но починав заповнюватися першими джерелами світла. Подальші спостереження — зокрема пошук слабкого зоряного континууму або точніші виміри окремих ліній випромінювання — мають допомогти звузити коло можливих пояснень.
