I årtionden har astronomer som kikat genom Hubble försökt få en glimt av universums första stjärnor som tändes. De små galaxer som byggde kosmos var dock för svaga för att upptäckas – även med de finaste instrumenten. Nu har astronomer äntligen två saker på sin sida: Webb-rymdteleskopet och lite kosmisk tur.

I en nyligen publicerad artikel i Nature använde ett team lett av Kimihiko Nakajima vid Kanazawa University i Japan James Webb-rymdteleskopet för att observera en ultrasvag galax som kallas LAP1-B, så som den existerade ungefär 800 miljoner år efter Big Bang. Det är den mest kemiskt primitiva galax vi någonsin sett – vilket säger en del, med tanke på hur många primitiva saker vi har upptäckt.

LAP1-B är 13 miljarder ljusår bort. Inte ens JWST:s enorma, guldbelagda berylliumspeglar räckte ensamma. Teamet upptäckte den tack vare en massiv galaxhop som kallas MACS J046, som förvränger rumtiden mellan oss och LAP1-B som en kosmisk spegelhall. ”Galaxen förstärktes kraftigt genom gravitationslinseringseffekten”, sa Nakajima. Specifikt ökade den förvrängda rumtiden LAP1-B:s ljusstyrka med ungefär 100 gånger.

Även med den förstärkningen är LAP1-B så svag att varken JWST eller Hubble kunde upptäcka dess stjärnkontinuum – det stadiga bakgrundsljuset från dess stjärnor. För Nakajima och kollegor var det i sig en ledtråd. Genom att känna till avståndet och teleskopets känslighet beräknade de den hårda övre gränsen för LAP1-B:s stjärnmassa: 3 300 solar. Det är en avrundningsdifferens jämfört med Vintergatans ungefär 100 miljarder solmassor.

Det mesta av ljuset som träffade JWST:s speglar kom inte från stjärnor utan från glödande gas. När de undersökte den gasen insåg teamet att LAP1-B är det närmaste vi har observerat till de första orörda galaxerna. Glöden kommer från högenergistrålning från massiva stjärnor som träffar omgivande interstellära gasmoln och får dem att fluorescera. Med hjälp av JWST:s Near-Infrared Spectrograph bröt forskarna upp ljuset i ett spektrum och letade efter emissionslinjer som indikerar kemisk sammansättning.

”Vi ville mäta hur mycket syre som fanns”, sa Nakajima. Analysen visade en djup brist på grundämnen tyngre än väte och helium. Förhållandet mellan syre och väte i gasfasen var bara 0,4 procent av vad vi finner i vår sol. En annan detalj: trippeljoniserat kol – ett tillstånd där en kolatom förlorar hälften av sina sex elektroner. Att slita loss dessa elektroner kräver extrem ultravioletta fotoner med energier över 47,9 elektronvolt. Vanliga stjärnor, även massiva sådana i vår närhet, är inte tillräckligt heta. Stjärnorna som kunde bli så heta, föreslår teamet, var de allra första som tändes i universum – gjorda enbart av väte och helium från Big Bang, utan tunga grundämnen för att kylas när de bildades. ”Sådana stjärnor borde ha bildats från primordial gas”, sa Nakajima.

Dagens stjärnor, inklusive vår sol, är Population I. Äldre stjärnor i galaxens halo är Population II, med mycket lägre halter av tunga grundämnen. Population III-stjärnor var de första – teoretiserade som våldsamma monster med massor hundratals gånger solens sammanpressade i små volymer, som brinner extremt heta och dör unga i supernovor. Nakajimas team hittade troligen spår av dessa explosioner i LAP1-B.

Trots att den är otroligt fattig på tunga grundämnen har LAP1-B ett ovanligt högt kol-till-syre-förhållande – högre än vår sols. Forskarna tror att svaret ligger i hur dessa massiva första generationens stjärnor dog. När en Population III-stjärna kollapsar blir dess kärna ett svart hål, men supernovan är inte tillräckligt energisk för att spränga stjärnan i bitar. ”Deras gravitationsbindningsenergi är starkare än hos vanliga massiva stjärnor”, sa Nakajima. Kollapsen resulterar i en svag supernova med betydande återfall: tyngre grundämnen som syre sugs in över händelsehorisonten, medan lättare yttre lager rika på kol flyr. LAP1-B:s kemiska sammansättning ser ut som ett fingeravtryck av gas från Population III-supernovor.

Ytterligare en ledtråd: gashastighet. Genom att mäta dopplerbreddning av