Самые первые звезды, вероятно, сформировались, когда Вселенной было всего 100 миллионов лет, что составляет менее одного процента от ее нынешнего возраста. Эти первые звезды, известные как Население III, были настолько титанически массивны, что, когда они закончили свою жизнь как сверхновые, они разорвались на части, засеяв межзвездное пространство характерной смесью тяжелых элементов. Однако, несмотря на десятилетия усердных поисков астрономов, до сих пор не было прямых свидетельств существования этих первичных звезд.

Проанализировав один из самых отдаленных известных квазаров с помощью телескопа Gemini North, одного из двух идентичных телескопов, входящих в состав Международной обсерватории Gemini, управляемой NOIRLab NSF, астрономы теперь считают, что они идентифицировали остаточный материал взрыва звезды первого поколения. Используя инновационный метод определения химических элементов, содержащихся в облаках, окружающих квазар, они заметили весьма необычный состав — материал содержал более чем в 10 раз больше железа, чем магния, по сравнению с соотношением этих элементов, обнаруженных на нашем солнце.

Ученые полагают, что наиболее вероятным объяснением этой поразительной особенности является то, что материал был оставлен звездой первого поколения, которая взорвалась как сверхновая с нестабильностью пары. Эти удивительно мощные версии взрывов сверхновых никогда не были засвидетельствованы, но теоретически они являются концом жизни для гигантских звезд с массами, в 150-250 раз превышающими солнечную.

Взрывы сверхновых с парной нестабильностью происходят, когда фотоны в центре звезды спонтанно превращаются в электроны и позитроны — положительно заряженный аналог электрона из антивещества. Это преобразование снижает давление излучения внутри звезды, позволяя гравитации преодолеть его и приводя к коллапсу и последующему взрыву.

В отличие от других сверхновых, эти драматические события не оставляют звездных остатков, таких как нейтронная звезда или черная дыра, а вместо этого выбрасывают весь свой материал в окружающую среду. Есть только два способа найти доказательства их существования. Первый - поймать сверхновую с нестабильностью пары, когда это произойдет, что является крайне маловероятным случаем. Другой способ - идентифицировать их химическую сигнатуру по материалу, который они выбрасывают в межзвездное пространство.

Для своего исследования, опубликованного в настоящее время в Astrophysical Journal, астрономы изучили результаты предыдущих наблюдений, сделанных 8,1-метровым телескопом Gemini North с использованием спектрографа ближнего инфракрасного диапазона Gemini (GNIRS). Спектрограф расщепляет свет, излучаемый небесными объектами, на составляющие его длины волн, которые несут информацию о том, какие элементы содержат объекты. Gemini - один из немногих телескопов такого размера, оснащенных подходящим оборудованием для проведения таких наблюдений.

Однако определение количеств каждого присутствующего элемента является сложной задачей, поскольку яркость линии в спектре зависит от многих других факторов, помимо изобилия элемента.

Два соавтора анализа, Юдзуру Йошии и Хироаки Самешима из Токийского университета, решили эту проблему, разработав метод использования интенсивности длин волн в спектре квазара для оценки обилия присутствующих там элементов. Именно используя этот метод для анализа спектра квазара, они и их коллеги обнаружили заметно низкое соотношение магния к железу.

"Для меня было очевидно, что кандидатом на эту сверхновую была бы пара-нестабильная сверхновая звезды III популяции, в которой вся звезда взрывается, не оставляя после себя никаких остатков", - сказал Йошии. "Я был восхищен и несколько удивлен, обнаружив, что нестабильная пара сверхновых звезды с массой, примерно в 300 раз превышающей массу солнца, обеспечивает соотношение магния к железу, которое согласуется с низким значением, полученным нами для квазара".

Поиски химических доказательств существования предыдущего поколения звезд с высокой массой Населения III проводились ранее среди звезд в гало Млечного Пути, и по крайней мере одна предварительная идентификация была представлена в 2014 году. Йошии и его коллеги, однако, считают, что новый результат обеспечивает наиболее четкий признак парной нестабильности сверхновой, основанный на чрезвычайно низком соотношении содержания магния и железа, представленном в этом квазаре.

Если это действительно свидетельство одной из первых звезд и остатков сверхновой с нестабильностью пары, это открытие поможет дополнить нашу картину того, как материя во Вселенной эволюционировала в то, чем она является сегодня, включая нас. Чтобы более тщательно проверить эту интерпретацию, требуется еще много наблюдений, чтобы увидеть, обладают ли другие объекты аналогичными характеристиками.

Но, возможно, мы сможем найти химические сигнатуры и ближе к дому. Хотя все звезды с высокой массой населения III давно бы вымерли, химические отпечатки, которые они оставляют в своем выброшенном материале, могут сохраняться гораздо дольше и могут сохраняться до сих пор. Это означает, что астрономы, возможно, смогут обнаружить признаки взрывов сверхновых с нестабильностью пары давно ушедших звезд, которые все еще запечатлены на объектах в нашей локальной вселенной.

"Теперь мы знаем, что искать; у нас есть путь", - сказал соавтор Тимоти Бирс, астроном из Университета Нотр-Дам. "Если бы это произошло локально в самой ранней вселенной, что и должно было произойти, тогда мы ожидали бы найти доказательства этого".