Почему первые звезды не росли бесконечно? Как магнитные поля ограничили рост ранних светил Вселенной

Представьте себе рождение Вселенной — хаос, из которого постепенно выкристаллизовываются галактики и звезды. В этом космическом котле, на заре времен, вспыхивали светила, не похожие ни на что из того, что мы наблюдаем сегодня. Это были звезды Популяции III — массивные, ослепительно яркие гиганты, прожившие короткую, но бурную жизнь. Их существование до сих пор остается предметом гипотез, но если они действительно были, именно они ответственны за первичное обогащение космоса тяжелыми элементами — металлами, как их называют астрофизики. Возникает вопрос: почему эти первые звезды не стали еще больше, почему их рост не был бесконечным?

Танцы гравитации и магнетизма

Современные звезды, формирующиеся из газопылевых облаков, сталкиваются с ограничением роста, обусловленным так называемой обратной связью. По мере того, как звезда накапливает массу, она начинает излучать мощную радиацию, которая выталкивает окружающий газ, необходимый для дальнейшего роста. Вдобавок ко всему, молодые светила обладают сильными магнитными полями, которые «крадут» энергию из аккреционного диска, еще больше ограничивая их размеры. Но, как оказалось, для звезд Популяции III этот механизм был не единственным.

Недавнее исследование, проведенное астрофизиками, проливает свет на иной ограничивающий фактор — магнитные поля. Ученые пришли к выводу, что именно они, а не радиационное давление, играли ключевую роль в ограничении размеров этих первичных звезд. Напомню, что эти выводы базируются на компьютерном моделировании, учитывающем самые различные факторы, включая магнитные поля, гравитационное притяжение, турбулентность газа и так далее.

Моделирование первых светил

В ходе исследования ученые провели моделирование, проследив эволюцию гипотетических протозвезд Популяции III на протяжении 5000 лет. В результате, моделирование показало, что при учете магнитных полей максимальная масса звезды не превышала 65 масс Солнца. Для сравнения, в моделировании без магнитных полей этот показатель достигал 120 масс Солнца. Результаты также указывают на фрагментацию облака протозвездного вещества, что приводит к образованию целых скоплений звезд Популяции III, а не одиночных гигантов.

В чем же дело? Магнитное поле, как оказалось, играет роль своеобразного «тормоза» для процесса аккреции. Гравитация стремится увлечь все больше и больше газа к центру формирующейся звезды, тем самым увеличивая ее массу. Магнитное же поле, действуя в противоположном направлении, противодействует гравитации и замедляет поток вещества. Этот процесс происходит на ранних стадиях формирования звезды, еще до того, как радиационное давление начинает играть значимую роль.

Где начало, там и конец

Моделирование показывает, что количество газа, достигающего внешней оболочки формирующейся звезды, сначала возрастает, а затем снижается. В моделях без магнитных полей этого не наблюдается — газ быстро перетекает из оболочки в аккреционный диск, а затем поглощается звездой. В ситуации с магнитными полями этот процесс замедляется, что приводит к истощению массы в аккреционном диске и, как следствие, к ограничению роста светила.

Таким образом, магнитные поля, работая в паре с гравитацией, задают своеобразный предел для размеров первых звезд Вселенной. Они ограничивают приток газа к формирующейся звезде, не позволяя ей разрастись до колоссальных размеров.

Гипотеза, но не простая

Следует отметить, что существование звезд Популяции III пока остается гипотезой. Тем не менее, их существование играет ключевую роль в современных космологических моделях. Если этих первых светил никогда не было, это поставит под сомнение все наши представления о формировании Вселенной. Космологические теории достаточно хорошо объясняют происходящие процессы, но если первые звезды так и не возникли, то это говорит о фундаментальном пробеле в понимании процессов в ранней Вселенной.

Это исследование открывает новый взгляд на эволюцию первых звезд и на роль магнитных полей в этом процессе. Возможно, именно эти невидимые «нити» космоса, вопреки гравитации, обеспечили Вселенной ее текущий облик. А значит, перед учеными открывается новое поле для исследований.