Przez dziesięciolecia astronomowie zaglądający przez Hubble'a próbowali dostrzec pierwsze gwiazdy Wszechświata, które zapłonęły do życia. Małe galaktyki, które zbudowały kosmos, były jednak zbyt słabe, by je dostrzec – nawet najnowszymi instrumentami. Teraz astronomowie mają wreszcie dwie rzeczy po swojej stronie: Kosmiczny Teleskop Webba i odrobinę kosmicznego szczęścia.

W niedawnym artykule w Nature zespół kierowany przez Kimihiko Nakajimę z Uniwersytetu Kanazawa w Japonii użył Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do obserwacji ultra-słabej galaktyki o nazwie LAP1-B, istniejącej około 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To najbardziej prymitywna chemicznie galaktyka, jaką kiedykolwiek widzieliśmy – co o czymś świadczy, biorąc pod uwagę, ile prymitywnych rzeczy już wypatrzyliśmy.

LAP1-B znajduje się 13 miliardów lat świetlnych stąd. Nawet ogromne, pokryte złotem berylowe lustra JWST nie były wystarczające. Zespół dostrzegł ją dzięki masywnej gromadzie galaktyk MACS J046, która zakrzywia czasoprzestrzeń między nami a LAP1-B jak kosmiczne krzywe zwierciadło. „Galaktyka została silnie powiększona przez efekt soczewkowania grawitacyjnego” – powiedział Nakajima. Konkretnie, zakrzywiona czasoprzestrzeń zwiększyła jasność LAP1-B około stukrotnie.

Nawet z tym wzmocnieniem LAP1-B jest tak słaba, że ani JWST, ani Hubble nie mogli wykryć jej kontinuum gwiazdowego – stałego tła światła jej gwiazd. Dla Nakajimy i współpracowników było to samo w sobie wskazówką. Znając odległość i czułość teleskopu, obliczyli górną granicę masy gwiazdowej LAP1-B: 3300 Słońc. To błąd zaokrąglenia w porównaniu z około 100 miliardami mas Słońca Drogi Mlecznej.

Większość światła trafiającego w lustra JWST nie pochodziła z gwiazd, ale z jarzącego się gazu. Badając ten gaz, zespół zdał sobie sprawę, że LAP1-B jest najbliższym odpowiednikiem pierwszych nieskazitelnych galaktyk, jakie zaobserwowaliśmy. Poświata pochodzi od wysokoenergetycznego promieniowania masywnych gwiazd uderzającego w otaczające obłoki gazu międzygwiazdowego, powodując ich fluorescencję. Używając spektrografu bliskiej podczerwieni JWST, badacze rozłożyli światło na widmo i poszukiwali linii emisyjnych wskazujących skład chemiczny.

„Chcieliśmy zmierzyć, ile tlenu jest obecne” – powiedział Nakajima. Analiza ujawniła ogromny niedobór pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Stosunek tlenu do wodoru w fazie gazowej wynosił zaledwie 0,4 procent tego, co znajdujemy w naszym Słońcu. Kolejny szczegół: trzykrotnie zjonizowany węgiel – stan, w którym atom węgla traci połowę swoich sześciu elektronów. Wyrwanie tych elektronów wymaga fotonów ekstremalnego ultrafioletu o energiach przekraczających 47,9 elektronowoltów. Standardowe gwiazdy, nawet masywne w naszym sąsiedztwie, nie są wystarczająco gorące. Gwiazdy, które mogłyby osiągnąć taką temperaturę, sugeruje zespół, były pierwszymi, które zapłonęły we Wszechświecie – złożone wyłącznie z wodoru i helu z Wielkiego Wybuchu, pozbawione ciężkich pierwiastków, które mogłyby je ochłodzić podczas formowania. „Takie gwiazdy powinny powstawać z pierwotnego gazu” – powiedział Nakajima.

Dzisiejsze gwiazdy, w tym nasze Słońce, to Populacja I. Starsze w galaktycznym halo to Populacja II, o znacznie niższej zawartości ciężkich pierwiastków. Gwiazdy Populacji III były pierwszymi – teoretyzowane jako gwałtowne potwory o masach setek Słońc ściśniętych w małych objętościach, palące się niezwykle gorąco i umierające młodo w supernowych. Zespół Nakajimy prawdopodobnie znalazł ślady tych eksplozji w LAP1-B.

Mimo że jest niezwykle uboga w ciężkie pierwiastki, LAP1-B ma niezwykle wysoki stosunek węgla do tlenu – wyższy niż nasze Słońce. Naukowcy sądzą, że odpowiedź leży w tym, jak te masywne gwiazdy pierwszej generacji umierały. Kiedy gwiazda Populacji III zapada się, jej jądro staje się czarną dziurą, ale supernowa nie jest wystarczająco energetyczna, by rozerwać gwiazdę. „Ich energia wiązania grawitacyjnego jest silniejsza niż w zwykłych masywnych gwiazdach” – powiedział Nakajima. Zapadnięcie skutkuje słabą supernową ze znacznym opadaniem: cięższe pierwiastki, takie jak tlen, są wciągane za horyzont zdarzeń, podczas gdy lżejsze warstwy zewnętrzne bogate w węgiel uciekają. Skład chemiczny LAP1-B wygląda jak odcisk palca gazu z supernowych Populacji III.

Jeszcze jedna wskazówka: prędkość gazu. Mierząc poszerzenie dopplerowskie