Астрономы получили самые убедительные доказательства существования первых звезд Вселенной: они оказались сверхмассивными

Через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная состояла исключительно из водорода, гелия и следовых количеств лития. Более тяжелых элементов, которые астрономы собирательно называют «металлами», не существовало.

Исходя из этого факта, ученые пришли к выводу, что самое первое поколение звезд должно было сформироваться из абсолютно чистого, первичного газа. Эту теоретическую группу объектов назвали «Популяция III». Проблема заключалась в том, что обнаружить их на практике долгое время не удавалось. Ранняя Вселенная скрыта от нас огромными расстояниями, а значит, свет от первых галактик идет до Земли миллиарды лет, смещаясь в инфракрасный диапазон. До запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) у человечества просто не было инструментов нужной чувствительности.

Недавно международная группа исследователей опубликовала результаты анализа данных JWST, которые предоставляют первое прямое наблюдательное доказательство существования звезд Популяции III. Ученым удалось зафиксировать их излучение и детально описать физические процессы, происходившие при формировании первых звездных систем.

Обнаружение химически чистого объекта

Открытие было сделано при изучении гало (внешней оболочки) галактики GN-z11. Эта галактика находится на красном смещении z=10.6, что соответствует времени, когда возраст Вселенной составлял чуть более 400 миллионов лет. На расстоянии около трех килопарсеков от центра GN-z11 телескоп обнаружил компактный источник излучения, который получил рабочее название Hebe.

Исследователи навели на этот объект спектрограф высокого разрешения NIRSpec-IFU. Принцип работы спектрографа заключается в разделении поступающего света на отдельные длины волн. Каждый химический элемент поглощает или излучает свет на своих строго определенных частотах, оставляя в спектре уникальные отпечатки (линии).

Спектр объекта Hebe показал полное отсутствие линий излучения углерода, неона, кислорода и любых других тяжелых элементов. Газ в этой области оказался абсолютно лишен продуктов звездного нуклеосинтеза.

Однако при нулевой металличности объект демонстрировал очень высокую яркость в одной конкретной спектральной линии. Спектрометры зафиксировали мощное излучение дважды ионизированного гелия.

Физика гелиевой аномалии

Атом гелия в нормальном состоянии содержит два электрона. Чтобы оторвать от ядра один электрон, требуется энергия. Но чтобы оторвать второй электрон и получить дважды ионизированный гелий (состояние HeII), необходима колоссальная энергия — фотоны жесткого ультрафиолетового излучения с энергией не менее 54,4 электрон-вольт.

Присутствие в спектре яркой линии HeII на длине волны 1640 ангстрем означает, что внутри облака химически чистого газа находится источник экстремально жесткого и мощного излучения. Обычные звезды, подобные нашему Солнцу, физически не способны генерировать ультрафиолет такой интенсивности.

Чтобы исключить ошибку, астрофизикам потребовалось проверить все известные науке механизмы, способные вызывать подобную ионизацию газа. Основных альтернативных сценариев было два.

Первый сценарий предполагал наличие сверхмассивной черной дыры. Газ, падающий в черную дыру, образует аккреционный диск. Этот диск разогревается до миллионов градусов из-за внутреннего трения и начинает излучать мощный ультрафиолет. Однако физика этого процесса не совпадает с наблюдаемыми данными Hebe. Газ вблизи черной дыры движется с огромными скоростями (тысячи километров в секунду). Из-за эффекта Доплера это приводит к кинематическому уширению спектральных линий — линия гелия на графике выглядела бы широкой и размытой. В случае Hebe линия узкая. Более того, соотношение интенсивности линий гелия и водорода полностью расходится с теоретическими моделями черных дыр.

Второй сценарий рассматривал так называемые звезды Вольфа-Райе. Это редкий класс массивных звезд на поздних стадиях эволюции. Они обладают исключительно высокой температурой поверхности, достаточной для ионизации гелия. Но их ключевая особенность — наличие мощного звездного ветра, который сдувает внешние слои звезды. Механизм этого ветра основан на давлении света: фотоны ударяются об атомы тяжелых элементов в оболочке звезды и выталкивают их в космос. Поскольку данные JWST подтвердили полное отсутствие тяжелых элементов в объекте Hebe, звезды Вольфа-Райе не могли бы генерировать звездный ветер. При нулевой металличности этот сценарий не работает.

Исключив альтернативы, исследователи пришли к единственному математически и физически обоснованному выводу: источник излучения состоит из звезд Популяции III.

Распределение масс и проблема охлаждения газа

Подтверждение химического состава стало отправной точкой для второго этапа исследования. Физикам требовалось понять, какими именно были первые звезды. Для этого они проанализировали Начальную функцию масс (IMF). Это распределение, которое показывает, звезды какого размера формируются в конкретном облаке газа.

В современной Вселенной доминируют звезды малых масс. На каждую сверхмассивную горячую звезду приходятся тысячи холодных и тусклых красных карликов. Процесс их формирования жестко связан с наличием тяжелых элементов.

Когда космическое газовое облако начинает сжиматься под действием собственной гравитации, оно неизбежно нагревается. Тепловое движение частиц создает давление, направленное наружу, которое сопротивляется дальнейшему сжатию. Чтобы гравитация победила и газ сконденсировался в плотную звезду, облако должно избавляться от излишков тепла. В современных газовых туманностях эту функцию выполняют частицы пыли и тяжелые элементы (углерод, кислород). Они поглощают кинетическую энергию газа и излучают ее в инфракрасном диапазоне. Облако охлаждается, дробится на небольшие фрагменты, из которых рождаются звезды размером с Солнце и меньше.

В эпоху Популяции III процесс шел иначе. В чистом водородно-гелиевом газе не было элементов, способных эффективно отводить тепло. Газ оставался горячим. Единственным фактором, способным преодолеть высокое внутреннее тепловое давление газа, была избыточная масса.

Для проверки этой гипотезы исследователи применили фотоионизационную компьютерную модель CLOUDY и откалиброванную космологическую модель NEFERTITI. Они загрузили в систему наблюдаемые характеристики Hebe (интенсивность гелия, соотношение с водородом) и начали менять параметры распределения звездных масс.

Вычисления показали, что стандартная, современная функция масс не способна воссоздать излучение, зафиксированное телескопом. Высокая интенсивность ультрафиолета при полном отсутствии тяжелых элементов возможна только в одном случае: если распределение масс было сдвинуто в сторону сверхмассивных объектов.

Анализ основного компонента Hebe указывает на то, что перед нами очень молодое звездное скопление. Его возраст не превышает двух миллионов лет. Моделирование определяет, что большинство звезд в этом скоплении имеют массу, превышающую 75 масс Солнца, а общая масса всего кластера оценивается в диапазоне от 20 000 до 600 000 солнечных масс. Ранняя Вселенная не формировала мелкие звезды. Она производила исключительно сверхмассивные светила.

Смена космических эпох

Физические свойства звезд Популяции III предопределили их короткую жизнь и влияние на дальнейшую эволюцию космоса. Массивные звезды крайне быстро расходуют термоядерное топливо. Их жизненный цикл составляет всего несколько миллионов лет (для сравнения, продолжительность жизни Солнца оценивается в 10 миллиардов лет).

Окончание жизненного цикла таких сверхмассивных объектов происходит через механизм парной нестабильности. В ядрах звезд массой от 140 до 260 солнечных масс температура повышается настолько, что высокоэнергетические гамма-кванты вступают в реакцию с образованием материи и антиматерии (электрон-позитронных пар). Из-за превращения света в частицы, радиационное давление, которое удерживало звезду от сжатия, резко падает. Происходит стремительный гравитационный коллапс ядра, который провоцирует мгновенный и сверхмощный термоядерный взрыв. В отличие от обычных сверхновых, которые оставляют после себя нейтронную звезду или черную дыру, сверхновая, нестабильная к образованию пар, полностью уничтожает звезду.

Именно взрывы звезд Популяции III, подобных тем, что зафиксированы в системе Hebe, впервые рассеяли в межгалактическом пространстве тяжелые элементы. Выброшенные ими углерод, кислород и кремний стали химической основой для охлаждения новых газовых облаков, формирования нормальных звезд, протопланетных дисков и, в конечном итоге, твердых планет земного типа. Открытие Hebe предоставляет исследователям прямые данные о переломном моменте в истории Вселенной, когда физика первичного газа сменилась сложной химией современных галактик.

Источник:arXiv