Кратко: низкая металличность и почти чистый H/He газ на ранних этапах привели к медленному охлаждению, большой джинсовской массе и малой фрагментации — формирование массивных, редких Pop III звёзд. Проверить это можно спектроскопией высокоздвиженных объектов, поиском следов взрывов Pop III и химическими отпечатками в крайне бедных металлами звёздах и поглощающих системах.
Почему и как влияет состав (суть):
- Охлаждение: в отсутствующей металличности основным ревомцентром является молекулярный водород H2 (переходы рот-вибр.), иногда HD. Металлы и пыль даают эффективное тонкое/пылевое охлаждение при низких температурах, что облегчает фрагментацию.
- Джинсовская масса: при температуре газа $T$ и плотности $\rho$ характерная масса фрагментации (Джинса) масштабируется как
$$M_J\propto T^{3/2}{\rho }^{-1/2}.$$
Плохо охлаждающийся металл‑бесцветный газ имеет большее $T$ → больше $M_J$ → более массивные звёзды.
- Критическая металличность: порог, при котором металлы/пыль начинают менять поведение, оценивают примерно как
$$Z_{\mathrm{crit}}\sim 10^{-6}-10^{-3}{Z}_{\odot },$$
где верхняя граница относится к тонкому охлаждению и нижняя — к пылевому каналу. Ниже этого Pop III-тип формирование — топ‑тяжёлое.
- Роль соотношения H/He: примарное массовое соотношение примерно $X\approx 0.75$, $Y\approx 0.25$. Небольшие сдвиги в $Y$ меняют среднюю молекулярную массу $\mu$ и теплоёмкость, но эффект мал по сравнению с влиянием металличности; важнее специфические каталитические роли свободных электронов/ионов для образования H2 (через $H^{-}$ и $H_2^{+}$), т.е. степень ионизации влияет на скорость образования H2 и охлаждение.
Ожидаемые последствия для Pop III:
- IMF более «тяжёлый» (массовые звёзды, типично десятки — сотни $M_{\odot }$).
- Меньшая фрагментация — одиночные/малочисленные крупные ядра.
- Жёсткое ионизирующее излучение (много фотонов < $912$ Å), сильные He II-линиии за счёт очень горячих звёзд.
- Специфические типы сверхновых — pair-instability SN (PISN) для $M\sim 140-260M_{\odot }$ с характерными нуклеосинтетическими отпечатками.
Как это проверить наблюдениями высокоздвиженных объектов:
- Прямые спектры ранних галактик (JWST, ELT): ищем очень синее UV‑спектральное наклонение, сильную эмиссию He II $1640$ Å при слабых/отсутствующих металлических линиях (C III], O III]). Высокий эквивалент ширины He II — признак горячих Pop III звёзд.
- Сверхновые/GRB от Pop III: PISN имеют характерные световые кривые (длительные, очень яркие) и специфические спектральные элементы; GRB с «чистыми» окружениями и необычными изотопными соотношениями. Поиск в глубоких полях и при гравитационном линзировании.
- Химические отпечатки в звёздах II поколения (метал-убогие звёзды в галактическом гало): анализ абундансов (отношения C, O, Mg, Fe, odd-even эффект) позволяет восстановить тип SN предков. PISN дают сильный «odd–even» и специфичную картину, обычные CC SN — другую.
- DLA и Lyman‑alpha лес: измерение металличности и соотношений элементов в поглощающих системах на $z\gtrsim 5$ чтобы отыскать участки с $Z\ll Z_{\odot }$.
- 21‑cm сигнал и история реионизации: топ‑тяжёлые Pop III дают больше ионизирующих фотонов на массу → влияют на момент и скорость реионизации; сравнение моделей с данными глобального сигнала и флуктуаций (HERA, SKA) ограничивает вклад Pop III.
- Космический микроволновой фон и оптическая глубина τ: интегральные ограничения на суммарное число ионизирующих фотонов ограничивают массовую функцию ранних звёзд.
- Космический инфракрасный фон и его флуктуации: сигнатуры массовой ранней звёздности.
Какие конкретные наблюдаемые признаки считать «доказательством» Pop III:
- Слабые/отсутствующие металльные линии + сильная He II $1640$ и большой выход ионизирующих фотонов.
- Доказательство PISN/специфичных SN световых кривых и спектров.
- Абундансы в крайне метал‑бедных звёздах, согласующиеся с предсказанными популяциями Pop III‑взрывов.
- Ранняя и быстрая реионизация/повышенное 21‑cm тепло/ивент, требующее много горячих звёзд.
Короткое резюме: основная роль изменения состава — через охлаждение: низкая металличность → горячее газо → большие $M_J$ → массивные Pop III. Наблюдения: JWST/ELT спектры (He II, отсутствие металлов), поиск PISN/GRB, изучение крайне металл‑бедных старых звёзд и 21‑cm/реонизационных следов.