Вселенная оказалась легче, чем считали: телескоп Gaia нашел скрытую ошибку в расчете массы галактик

В астрофизике долго жила удобная сказка: мол, где бы ни рождались звезды, пропорции между тяжелыми и легкими всегда одинаковы. Эта сказка называлась «начальная функция масс». На ней держались все оценки масс далеких галактик. И вот она рухнула. Группа ученых из Университета Миссури и Рочестера проанализировала данные телескопа Gaia и доказала: соотношение рождающихся звезд меняется со временем. В молодой Вселенной оно было совсем другим. Поэтому все, что мы знали о массах галактик, требует пересмотра.

Что такое начальная функция масс

Когда облако газа сжимается, оно распадается на сотни сгустков. Из каждого сгустка получается звезда. Вопрос: сколько появится тяжелых гигантов, а сколько легких карликов? Это и есть начальная функция масс (НФМ).

Почему это так критично? Легкие звезды тусклые, но живут почти вечность. Тяжелые — яркие, но сгорают за миллионы лет. Телескоп видит в далекой галактике только яркие тяжелые звезды. Чтобы узнать, сколько там тусклых карликов, ученые умножали видимый свет на условный коэффициент. Семьдесят лет считалось, что коэффициент одинаков для всех времен и галактик. Эдвин Салпитер вывел формулу в 1955-м, Павел Крупа и Жиль Шабрие уточнили ее позже. Но все они применялись как универсальный закон природы. Вроде гравитации.

Только вот гравитация и правда универсальна. А звездообразование — нет.

Почему газ сжимается по-разному

Физики давно подозревали подвох. Распад облака зависит от баланса гравитации и теплового давления. Если газ холодный, он легко распадается на мелкие куски — рождается много легких звезд. Если горячий, мелкие сгустки не могут сжаться: тепловое давление расталкивает их. Схлопываются только крупные объемы, поэтому тяжелых звезд больше.

Существует так называемый предел Джинса — минимальная масса сгустка, способного стать звездой. Этот предел пропорционален температуре газа в степени 3/2. Чем горячее газ, тем крупнее должны быть будущие звезды. А в ранней Вселенной газ был не просто горячим — в нем не было «металлов», то есть элементов тяжелее гелия. Они работают как охладители. Без них облака не остывали миллиарды лет. Вывод напрашивался сам собой: древние звезды рождались в других пропорциях.

Личное наблюдение: я до сих пор помню, как на лекциях по астрофизике функцию Салпитера подавали как незыблемую константу, вроде числа Пи. Никто не говорил, что это лишь допущение. И вот теперь выясняется, что наша уверенность строилась на песке.

Как проверили: точка перелома и телескоп Gaia

Проверить гипотезу напрямую сложно. Нужно взять звездное скопление, где все звезды родились из одного облака в одно время, и посмотреть на распределение масс. Но старое скопление теряет легкие звезды: они выталкиваются гравитационными взаимодействиями. Как отделить потерю от изначальных условий?

Авторы работы нашли изящный способ. В модели Крупы распределение звезд — это ломаная линия на логарифмическом графике. В ней есть точка перелома — масса, выше которой число звезд резко падает. В современных скоплениях эта точка около 0,5 массы Солнца. Динамическое вымывание легких звезд меняет наклоны прямой, но не сдвигает точку перелома. Сдвинуть ее может только одно — температура исходного газа.

Ученые взяли данные телескопа Gaia и отобрали скопления с максимальной точностью измерений. Из 332 кандидатов в основную выборку попало 110. Результат однозначен:

• В молодых скоплениях (возраст десятки миллионов лет) точка перелома — 0,4–0,5 массы Солнца.
• В старых скоплениях (миллиарды лет) — 0,8–1,3 массы Солнца.
• Например, в скоплении NGC 6067 точка перелома — 1,28 массы Солнца.

Вероятность случайности — меньше 8,7×10⁻⁷. Это не флуктуация. Это закономерность: чем старее скопление, тем больше доля тяжелых звезд при рождении.

Скандал вокруг «Джеймса Уэбба» снят

Самое интересное — как это открытие объясняет ранние галактики. Когда JWST начал работать, астрономы обнаружили галактики всего через 400–600 миллионов лет после Большого взрыва. Они светили так ярко, что по старым расчетам содержали триллионы звезд. Это противоречило всей космологической модели. Некоторые заговорили о необходимости пересмотра теории гравитации.

Новое исследование снимает этот скандал. Ранние галактики не были гигантами. Они просто родились в горячем газе, где почти не формировались тусклые карлики. Вся масса ушла в яркие тяжелые звезды. Поэтому света много, а физической массы умеренно. Стоит скорректировать функцию масс с учетом температуры — и все встает на свои места. Никакой новой физики не требуется.

Мое мнение: это прекрасный пример того, как работает наука. Сначала простое правило, потом исключения, потом сложная модель. Но осадок остается: сколько еще «универсальных» законов мы используем по привычке? Хорошо, когда рядом оказываются данные уровня Gaia, позволяющие проверить даже самые базовые допущения.

Итог простой. НФМ не универсальна. Масса будущих звезд зависит от температуры газа и его химического состава. Впереди — пересчет масс галактик, пересмотр эволюции Млечного Пути и новые сюрпризы от «Джеймса Уэбба». Астрономия становится менее удобной. Зато более точной.