Das frühe Universum, das etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte, war durch eine chemische Einfachheit gekennzeichnet, die ausschließlich aus Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium bestand, während schwerere Elemente, die von Astronomen als „Metalle“ klassifiziert werden, vollständig fehlten. Wissenschaftler stellten jahrzehntelang Hypothesen über die Entstehung der ersten Sterne, bekannt als Population III, aus diesem primordialen Gas auf, doch ihr Nachweis blieb aufgrund der enormen Entfernungen und der Rotverschiebung bis zur Inbetriebnahme des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) äußerst schwierig.
Die Analyse der JWST-Daten, die ursprünglich 2024 vorgestellt und durch Untersuchungen im Jahr 2026 bestätigt wurden, lieferte den ersten direkten Beweis für die Existenz von Population-III-Sternen. Die Forscher identifizierten eine Strahlungsquelle namens „Hebe“ im Halo der Galaxie GN-z11 mit hoher Rotverschiebung, die zu einem Zeitpunkt beobachtet wird, der etwa 430 Millionen Jahre nach dem Urknall liegt. Das Objekt Hebe befindet sich etwa drei Kiloparsec (kpc) vom Zentrum der Galaxie GN-z11 entfernt, die eine Rotverschiebung von z≈10,6 aufweist. Ein internationales Wissenschaftlerteam nutzte den Nahinfrarot-Spektrographen des JWST (NIRSpec-IFU) für eine detaillierte Analyse des Lichts aus der Hebe-Region.
Das gewonnene Spektrum bestätigte eindeutig das vollständige Fehlen von Emissionslinien für Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff und andere schwere Elemente, was die chemische Reinheit des Gases beweist. Trotz einer Umgebung mit einer Metallizität von Null zeigte das Objekt ein intensives Signal in der Spektrallinie von zweifach ionisiertem Helium (HeII) bei einer Wellenlänge von 1640 Å. Zur Erzeugung von HeII sind ultraviolette Photonen mit einer Energie von mehr als 54,4 Elektronenvolt erforderlich, was gewöhnliche Sterne wie die Sonne als Quelle ausschließt. Die hohe Äquivalentbreite dieser Emission (über 20 Å) stimmt mit Modellen überein, die für die ursprüngliche Massenfunktion (IMF) solcher Sterne eine Obergrenze von mindestens 500 Sonnenmassen (M⊙) vorhersagen.
Das Forschungsteam testete sorgfältig alternative Erklärungen und verwarf diese weitgehend. Die Hypothese eines akkretierenden supermassereichen Schwarzen Lochs (AGN) wurde abgelehnt, da der schmalen HeII-Linie die kinetische Linienverbreiterung fehlte, die durch hohe Gasgeschwindigkeiten zu erwarten wäre. Auch die Möglichkeit von Wolf-Rayet-Sternen wurde ausgeschlossen, da deren Sternwinde von schweren Elementen abhängen, die in der metallfreien Hebe-Region nicht vorhanden sind. Der Ausschluss dieser Modelle führte die Forscher zu dem Schluss, dass ein Sternhaufen der Population III die ionisierende Quelle sein muss. Basierend auf der Leuchtkraft der HeII-Linie wurde die gesamte Sternmasse abgeleitet, die in diesem Ausbruch entstanden ist, und sie beträgt etwa $2 \times 10^5$ M⊙.
Theoretische Modellierungen unter der Leitung von Elke Rusta legen nahe, dass diese primitiven Sterne eine IMF aufwiesen, die zu extrem massereichen Objekten zwischen zehn und einhundert Sonnenmassen verschoben war. Diese Beobachtung stützt Theorien, wonach das Fehlen schwerer Elemente zu einem heißeren Kollaps führte, was die Bildung extrem massereicher Sterne im frühen Universum begünstigte. Diese massiven Sterne beendeten ihr kurzes Leben als Paarinstabilitäts-Supernovae, wobei sie die ersten schweren Elemente im All verteilten und so die nachfolgende kosmische Evolution ermöglichten. Eine separate Studie unter der Leitung von Professor Roberto Maiolino von der Universität Cambridge entdeckte erste Anzeichen dieser ursprünglichen Gaswolke bereits im Jahr 2024, während eine unabhängige Bestätigung durch den Nachweis der Hγ-Linie am selben Ort und bei derselben Rotverschiebung erfolgte, wie in einer begleitenden Arbeit berichtet wird.
