Перші зірки Всесвіту — так звані зірки Популяції III (Population III, або Pop III) — сформувались із первинного водню, гелію та слідів літію приблизно через 200 мільйонів років після Великого вибуху. Вони були гігантськими, масивними і короткочасними: вибухнувши як наднові, вони засіяли Всесвіт важкими елементами, що дали початок усьому подальшому — планетам, молекулам і врешті-решт життю. Протягом десятиліть ці зірки залишались лише теоретичним конструктом. Тепер одразу два дослідження за участю телескопа Джеймса Вебба (JWST) пропонують перші реальні кандидати — і обидва відкриття виявились несподіваними.
Що відомо коротко
Відкриття 1 — LAP1-B: Елі Вісбал (Університет Толедо, Огайо) та ін.; The Astrophysical Journal Letters, жовтень 2025 р., DOI: 10.3847/2041-8213/ae122f. Галактика LAP1-B у 13 млрд св. р. від Землі відповідає трьом теоретичним передбаченням для зірок Pop III.
Відкриття 2 — «маленькі червоні крапки»: Девеш Нандал і Авраам Лоеб (Гарвардський центр астрофізики); The Astrophysical Journal, лютий 2026 р., DOI: 10.3847/1538-4357/ae32f3. Понад 300 загадкових компактних об’єктів JWST, відомих як «маленькі червоні крапки» (little red dots, LRDs), відповідають спектральним сигнатурам надмасивних зірок Pop III масою ~мільйон сонячних мас — зловлених в останні тисячоліття перед колапсом у надмасивну чорну діру.
Що таке зірки Популяції III і чому їх так важко знайти
Астрономи класифікують зірки за «металічністю» — вмістом елементів важчих за гелій (у фізиці зірок їх умовно називають «металами»). Зірки Популяції I — наймолодші, металобагаті, як наше Сонце. Популяція II — старіші, бідніші на метали. Популяція III — гіпотетичні первісні зірки без жодних металів: лише водень, гелій і слід літію — речовини, що залишились після Великого вибуху.
Без важких елементів газ охолоджується значно менш ефективно, що дозволяло газовим хмарам конденсуватись у масивніші об’єкти. Теоретичні моделі передбачають, що Pop III зірки могли сягати від десятків до мільйонів сонячних мас — колоси, що сяяли у мільярди разів яскравіше від Сонця, але жили лише кілька мільйонів або навіть тисяч років. Вони давно зникли, а їхнє світло добирається до нас понад 13 мільярдів років. Саме JWST будувався насамперед для того, щоб побачити цю епоху.
Відкриття 1: галактика LAP1-B і три передбачення
JWST розглянув галактику LAP1-B — настільки тьмяну й далеку, що побачити її вдалось лише завдяки гравітаційному лінзуванню: масивне скупчення галактик MACS J0416, розміщене між нами й LAP1-B, діє як природна лупа і збільшує зображення в 100 разів. «Нам справді потрібна була чутливість JWST і 100-кратне збільшення від гравітаційного лінзування», — пояснив Вісбал.
Вчені порівняли спостережувані властивості LAP1-B з трьома ключовими теоретичними передбаченнями для Pop III зірок: це мають бути надзвичайно масивні об’єкти (у діапазоні 10–1 000 сонячних мас), що формуються в невеликих скупченнях у зонах з мінімальним вмістом металів, у галоях темної матерії певного розміру. LAP1-B відповідає всім трьом критеріям — перша система, що пройшла цю потрійну перевірку. Газ навколо галактики також демонструє майже нульову металічність, що узгоджується зі сценарієм, де перші масивні зірки щойно вибухнули і тільки-но починають збагачувати середовище.
«Якщо зірки LAP1-B справді є Pop III, це перша детекція цих первісних зірок», — підкреслив Вісбал. Водночас він визнає, що «деякі невизначеності залишаються» — зокрема, щодо кількості матеріалу, викинутого першими наднових, і точності комп’ютерних моделей ранньої фізики Всесвіту.
Відкриття 2: «маленькі червоні крапки» — надмасивні зірки перед смертю
Починаючи з 2022 р. JWST виявив понад 300 компактних об’єктів у першій половині мільярда років Всесвіту — їх назвали «маленькими червоними крапками» (LRDs). Вони були яскравими, компактними, з характерним V-подібним провалом у спектрі (так звана Балмерівська межа) — і ні на що знайоме не схожими.
Перша гіпотеза: це активні галактичні ядра (AGN) — чорні діри, що поглинають газ. Але ця ідея не збігалась з даними: LRDs не випромінювали рентгенівського випромінювання (характерного для AGN), мали плоский інфрачервоний спектр, майже не змінювали яскравості і показували дуже мало спектральних ліній важких елементів.
Нандал і Лоеб запропонували принципово іншу інтерпретацію: LRDs — це надмасивні зірки Pop III (~10⁶ сонячних мас), метально-вільні, на фінальному етапі перед колапсом у надмасиву чорну діру. Команда побудувала детальну фізичну модель спектру такої зірки і порівняла її з двома конкретними LRDs — MoM-BH*-1 (~650 млн р. після Великого вибуху) і The Cliff (~1,8 млрд р.). Спектри ідеально збіглись — і за яскравістю, і за формою Балмерівської межі, і за профілями водневих ліній.
«Якщо надмасивні зірки реальні — а ми вважаємо, що так, бо Pop III мають бути реальними, — то маленька червона крапка ідеально підходить для їх приховування», — зазначив Нандал. Фінальна стадія такої зірки, в якій вона достатньо яскрава, щоб виглядати як LRD, триває лише кілька тисяч років — космологічне одне миготіння.
Два шляхи до одного відкриття
Обидва відкриття разом формують унікальну картину. LAP1-B дає перший статистично обґрунтований кандидат на існуючу Pop III систему за допомогою гравітаційного лінзування. LRDs пропонують інший сценарій: не окремі зірки в галактиці, а надмасивні зоряні монстри, що є прямими попередниками надмасивних чорних дір — одна з найбільших загадок космології: як чорні діри масою у мільярди Сонць виникли так рано?
Скептики існують. Для LRD-інтерпретації Денієл Вейлен (Daniel Whalen) із Саутгемптонського університету зазначив, що він «не бачить явної переваги над інтерпретацією чорних дір». Підтвердженням AGN-природи слугувало б виявлення рентгенівського випромінювання або варіабельності яскравості, яких поки що немає.
Цікаві факти
- Перший зафіксований JWST кандидат на найвіддаленішу зірку — Еарендел (~12,9 млрд св. р.), виявлена через гравітаційне лінзування у 2022 р. Але вона вже є зіркою Популяції II, а не III.
- Зірки Pop III теоретично не могли мати планет із важких елементів. Значить, якщо б вони існували достатньо довго — навколо них не могло б зародитись позаземне життя.
- Гравітаційне лінзування, що допомогло виявити LAP1-B, передбачив Альберт Ейнштейн у 1915 р. у загальній теорії відносності. JWST використовує природні «лінзи» з масивних скупчень галактик для збільшення дальніх об’єктів у десятки й сотні разів.
- Вже відкриті гігантські зірки раннього Всесвіту — екстремально масивні, але вже другого покоління. Pop III — це покоління нульове, хімічно непорушене.
- Якщо LRDs справді є Pop III зірками масою ~мільйон Сонць, то колапс однієї такої зірки породжував чорну діру масою сотень тисяч сонячних мас за один момент — можливе пояснення того, звідки беруться надмасивні чорні діри у ранньому Всесвіті.
FAQ
Чим відрізняється «Популяція III» від інших зірок? Зірки Pop III — першого покоління, що сформувались виключно з первинного водню і гелію, без жодних важчих елементів. Вони не можуть ані мати планет із кам’яних матеріалів, ані давати метали для майбутніх зірок, доки не вибухнуть як наднові. Всі наступні зірки, включно з нашим Сонцем, є «забрудненими» продуктами цих вибухів.
Чому перші зірки так важко знайти? По-перше, вони дуже далеко — їхнє світло подорожує понад 13 мільярдів років. По-друге, вони жили дуже коротко. По-третє, їхнє ультрафіолетове і видиме світло через розширення Всесвіту зрушилось у інфрачервоний діапазон — саме там, де спеціалізується JWST.
Що таке гравітаційне лінзування і як воно допомагає? Масивний об’єкт (скупчення галактик) викривляє простір-час навколо себе, що призводить до відхилення і збільшення світла від далеких джерел позаду нього — подібно до лінзи. Це дозволяє JWST «бачити» в 100 разів більше деталей у галактиках кшталту LAP1-B, що інакше були б просто нерозрізненними.
Чи підтверджено відкриття Pop III зірок? Поки що ні — обидва результати є найкращими кандидатами, але не підтвердженими. Для LAP1-B ще потрібне детальніше спектроскопічне підтвердження. Для LRDs — виключення AGN-природи (зокрема, пошук або відсутність рентгенівського випромінювання та варіабельності).
Чому надмасивні зірки важливі для формування чорних дір? Одна з найбільших загадок сучасної космології: як у Всесвіті, якому лише 600–800 мільйонів років, вже існують чорні діри масою в мільярди Сонць? Якщо надмасивні Pop III зірки реальні, то їх прямий колапс без вибуху наднових міг породжувати «важкі насіння» чорних дір масою сотень тисяч Сонць — і це вирішує парадокс часу.