Первые звёзды Вселенной могли быть гигантами — что выяснили учёные
Масса первых звёзд во Вселенной могла достигать тысячи солнечных — это в разы больше, чем у современных гигантов вроде Бетельгейзе. Такие объекты, известные как звёзды населения III, до сих пор остаются неуловимыми для астрономов, хотя телескопы уже заглядывают в эпоху, когда им положено было существовать. Новое исследование, опубликованное на arXiv, объясняет, почему эти гиганты могли появляться гораздо позже предсказанного срока, и оценивает шансы космической обсерватории Джеймса Уэбба их обнаружить.
Парадокс первых звёзд Вселенной
Звёзды населения III — это первородный материал космоса. Они состояли исключительно из водорода и гелия, без единой примеси более тяжёлых элементов, которые астрономы называют металлами. Считалось, что такие объекты рождались лишь в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, а затем быстро сгорали, взрываясь сверхновыми и насыщая пространство первыми порциями углерода, кислорода и железа.
Однако «Джеймс Уэбб» уже несколько раз находил галактики с признаками этих первозданных вспышек. И вот интрига — обнаруженное свечение относится к эпохе реионизации, то есть на сотни миллионов лет позже, чем предсказывали теоретические модели. Такое запаздывание требует особых условий, и авторы работы решили выяснить, при каких сценариях это вообще возможно.
Ключевая проблема — два «капкана», которые должны быть аккуратно обойдены. Первый: газовое облако не должно схлопнуться слишком рано. Второй: оно обязано избежать загрязнения металлами от соседних сверхновых, иначе звезда родилась бы как обычное светило второго поколения. Этот баланс — не просто математика, а настоящая космическая драма, где решающую роль играет ультрафиолетовое излучение.
Тормоз для газового коллапса
В ранней Вселенной облака газа могли сжаться под действием собственной гравитации только при одном условии — если им удавалось остыть. Молекулярный водород, главный охладитель тех времён, позволял облаку излучать тепло и постепенно уплотняться. Но есть способ задержать этот процесс, и называется он излучением Лайман-Вернера — потоком мягкого ультрафиолета, который разбивает молекулы водорода на отдельные атомы. Атомарный газ охлаждается куда хуже, так что коллапс замирает.
Однако долго это продолжаться не может. В какой-то момент давление в облаке становится настолько чудовищным, что даже атомарный водород запускает катастрофическое сжатие — именно тогда и формируется сверхмассивная звезда. Команда исследователей смоделировала такую ситуацию в тёмной материи и обнаружила любопытную структуру: внешние слои облака остаются раскалёнными от внешнего излучения и образуют некое подобие щита, а внутреннее ядро тем временем охлаждается и накапливает плотность. Именно этот сценарий позволяет отложить рождение Pop III звёзд на сотни миллионов лет.
Важное уточнение — металлы из соседних взрывов распространяются гораздо медленнее, чем ультрафиолетовые фотоны. Поэтому чистые газовые карманы могут существовать достаточно долго, даже когда соседние регионы уже «испорчены» тяжёлыми элементами. По расчётам авторов, ультрафиолет от сверхновых опережает металлическую пыль на сотни миллионов лет, оставляя окно возможностей для запоздалого формирования первородных звёзд.
Шансы на детекцию телескопом Уэбба
Даже если эти гиганты существуют, увидеть их — отдельная задача. Отличить вспышку звезды населения III от более обычной галактики второго поколения технически сложно. Авторы полагают, что спасти ситуацию может гравитационное линзирование — эффект, когда массивное скопление галактик искривляет свет далёкого объекта и усиливает его яркость. Но тут требуется настоящая удача: источник должен оказаться точно позади линзы, что случается нечасто.
Тем не менее есть целый обзор GLIMPSE, специально предназначенный для поиска таких совпадений. По оценкам исследователей, используя его данные, астрономы способны найти до девяти поздних вспышек первородных звёзд. Если в ближайшие годы появятся публикации с описанием именно таких объектов, эта работа станет их теоретическим фундаментом.
Пока же остаётся вопрос, который автор материала задаёт в самом конце: а что, если «Джеймс Уэбб» уже видел эти звёзды, но астрономы попросту не распознали их в данных? Возможно, ответ кроется в пересмотре результатов наблюдений с учётом новых моделей охлаждения — и тогда открытие, которого ждали десятилетия, окажется просто вопросом терпения и более пристального взгляда на архивные снимки.
