在大霹靂後約 4 億年的早期宇宙中,化學成分極其簡單,僅由氫、氦及微量的鋰組成,完全缺乏天文學家所謂的「金屬」重元素。數十年來,科學家一直假設第一批恆星(即第三星族星)是由這些原始氣體形成的,然而在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)發射前,受到極遠距離與紅移效應的影響,要觀測到它們極其困難。
根據 JWST 的數據分析(最初於 2024 年提出並在 2026 年的研究中獲得證實),科學家首次發現了第三星族星存在的直接證據。研究人員在 GN-z11 高紅移星系的光暈中辨識出一個被命名為「赫柏」(Hebe)的輻射源,其觀測時間約位於大霹靂後的 4.3 億年。赫柏位於 GN-z11 星系中心約 3 千秒差距(kpc)處,該星系的紅移值約為 z≈10.6。一支國際科學團隊利用 JWST 的近紅外線光譜儀(NIRSpec-IFU),針對赫柏區域發出的光線進行了深入分析。
獲得的光譜明確證實該處完全沒有碳、氖、氧等重元素的發射譜線,證明了氣體成分的化學純淨度。儘管處於零金屬量的環境,該天體在波長 1640 Å 處仍顯示出強烈的二次電離氦(HeII)譜線訊號。產生 HeII 需要能量超過 54.4 電子伏特的紫外線光子,這排除如太陽般的普通恆星作為來源的可能性。該輻射極高的等效寬度(超過 20 Å)與理論模型相符,預測此類恆星的初始質量函數(IMF)上限至少達 500 倍太陽質量(M⊙)。
研究團隊對其他可能的解釋進行了嚴格測試,並在很大程度上排除了這些替代方案。由於 HeII 窄譜線中缺乏高流速氣體所預期的動力學增寬現象,活躍星系核(AGN)吸積超大質量黑洞的假設因而遭到否決。沃夫–瑞葉星的可能性也被排除,因為其星風生成需依賴重元素,而赫柏所在的無金屬區域並不具備此條件。在排除這些模型後,研究人員得出結論:電離源必然是第三星族星組成的星團。根據 HeII 譜線的亮度推算,此次爆發形成的總恆星質量約為 $2 \times 10^5$ M⊙。
由艾爾克·魯斯特(Elke Roest)領導的團隊進行理論模擬顯示,這些原始恆星的初始質量函數傾向於極大質量的天體,約在 10 到 100 倍太陽質量之間。這項觀測證實了相關理論,即重元素的缺乏導致塌縮過程溫度更高,有利於早期宇宙形成極大質量的恆星。這些大質量恆星以不穩定對超新星的形式結束了短暫的一生,散射出第一批重元素,從而使後續的宇宙演化成為可能。劍橋大學羅伯托·馬約利諾(Roberto Maiolino)教授領導的另一項研究,最初在 2024 年發現了這片原始氣體雲的跡象,而後續在同一位置及紅移處偵測到的 Hγ 譜線,則在相關研究中提供了獨立證據。
