Ученые объяснили, почему первые звезды не могли расти вечно

Фото из открытых источников

Звездообразование в ранней Вселенной было энергичным процессом, создавшим гигантские звезды. Называемые звездами населения 3 (Pop 3), эти гиганты были массивными, чрезвычайно яркими звездами, которые жили короткой жизнью, многие из которых закончились, когда они взорвались как первичные сверхновые. Но даже эти ранние звезды столкнулись с ограничениями роста.

Звездная обратная связь играет роль в современном звездообразовании. По мере роста молодых звезд они испускают мощное излучение, которое может рассеивать близлежащий газ, необходимый им для продолжения роста. Это называется протозвездной радиационной обратной связью, и она происходит в дополнение к ограничивающему эффекту их магнитных полей на их рост.

Однако новые исследования показывают, что рост звезд населения 3 был ограничен их магнитными полями.

Исследование, ведущим автором которого стал астрофизик Пиюш Шарда из Лейденской обсерватории в Нидерландах, опубликовано на сервере препринтов arxiv.org.

Ученые наблюдают за формированием звезд в современной Вселенной, чтобы понять, как происходит этот процесс. Это сложно, поскольку формирование звезд занимает очень много времени, в то время как мы наблюдаем за молодыми звездами с большого расстояния всего несколько десятилетий. Звезды — это массивные, энергичные, сложные объекты, которые не выдают свои секреты легко.

Существует много нерешенных вопросов о звездообразовании, но общая картина уже сложилась. Все начинается с облака холодного молекулярного водорода, которое коллапсирует в плотные ядра. Эти ядра становятся протозвездами, также называемыми молодыми звездными объектами (YSO). Вокруг молодых звезд формируются аккреционные диски, и вот тут-то и вступает в дело радиационная обратная связь.

По мере того, как молодые звезды аккрецируют массу, они нагреваются. Они излучают это тепло наружу в свои собственные аккреционные диски. По мере того, как материал в диске нагревается, он замедляет или даже останавливает процесс аккреции. Таким образом, радиационная обратная связь ограничивает их рост.

YSO также вращаются быстрее, чем более зрелые звезды. Вращение создает мощные магнитные поля, и эти поля выбрасывают струи из полюсов YSO. Эти струи отбирают часть энергии аккреции, ограничивая рост звезд. Струи также могут рассеивать часть окружающего газа, еще больше ограничивая их рост.

Однако для звезд Pop 3 картина может выглядеть иначе. Начнем с того, что их существование на данный момент является гипотетическим, хотя теория его поддерживает. Если они реальны, астрофизики хотят знать, как они образовались и каковы были пределы их роста. Если они реальны, звезды Pop 3 сыграли важнейшую роль во Вселенной, выковав первые металлы и распространив их в космосе.

По словам авторов нового исследования, моделирование оказалось недостаточно полным, чтобы объяснить массу звезд населения 3.

«Массы звезд населения III в значительной степени не ограничены, поскольку не существует симуляций, которые учитывали бы всю соответствующую физику первичного звездообразования», — пишут авторы. «Мы развиваем симуляции до тех пор, пока не пройдет 5000 лет после образования первой звезды».

В более тщательных симуляциях команды, которые включают магнитные поля и другие факторы, эти ранние звезды ограничены примерно 65 массами Солнца. «Через 5000 лет масса самой массивной звезды составляет 65 масс Солнца в симуляции RMHD <радиационной магнитогидродинамики> по сравнению со 120 массами Солнца в симуляциях без магнитных полей», — пишут они.

Результаты показывают, что оба прогона моделирования, включающие магнитные поля, фрагментированы, что приводит к образованию звездных скоплений Pop 3. Это означает, что эволюция самых массивных звезд Pop 3 в обоих прогонах находится под влиянием присутствия звезд-компаньонов.

Разница сводится к тому, что гравитация и магнитные поля работают друг против друга. По мере того, как молодые звезды набирают массу, их гравитационная сила увеличивается. Это должно притягивать больше материала к звезде. Но магнитные поля противодействуют гравитации. Все это происходит до того, как активизируется радиационная обратная связь.

Результаты также показывают, что в обоих моделированиях, включающих магнитные поля, количество массы, достигающей оболочки, сначала увеличивается, а затем уменьшается. Однако результаты были другими в моделированиях без магнитных полей. В этих моделированиях перенос массы из оболочки в аккреционный диск сначала происходит быстро, что приводит к уменьшению массы в оболочке и наращиванию массы в диске. «Эта масса, следовательно, аккрецируется звездой с высокой скоростью», — пишут авторы.

«Мы узнаем, что магнитные поля ограничивают количество газа, падающего на оболочку на более поздних стадиях, действуя против гравитации, что приводит к истощению массы внутри аккреционного диска», — объясняют авторы. «Таким образом, максимальная звездная масса звезд населения III уже ограничена магнитными полями, даже до того, как темпы аккреции упадут, что позволит обеспечить значительную протозвездную радиационную обратную связь».

Хотя звезды Population 3 являются лишь гипотетическими, наши теории физической космологии полагаются на их существование. Если бы их не существовало, то во Вселенной есть что-то фундаментальное, что находится за пределами нашего понимания. Однако наши космологические теории хорошо справляются с объяснением того, что мы видим вокруг себя во Вселенной сегодня. Если мы делаем ставку на это, делайте ставки на то, что звезды Pop 3 реальны.

«Радиационная обратная связь давно предлагается в качестве основного механизма, который останавливает рост звезд Pop III и устанавливает верхний предел массы Pop III IMF (начальной функции масс)», — пишут авторы. Они показывают, что магнитные поля могут ограничивать рост звезд до того, как в игру вступят механизмы обратной связи.

«Эта работа является первым шагом на пути к построению полной функции масс звезд населения III с учетом физических данных», — заключают авторы исследования.