Обнаружены доказательства существования сверхмассивных звёзд в ранней Вселенной

Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба (NASA/ESA/CSA), обнаружили химические следы первичных звезд массой от 1000 до 10 000 масс Солнца в галактике GS 3073, ранней галактике с красным смещением 5,55 (один миллиард лет после Большого взрыва). Результаты исследования были опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.

В 2022 году астрономы предсказали, что сверхмассивные звезды естественным образом образовались в редких, турбулентных потоках холодного газа в ранней Вселенной, объяснив, как квазары могли существовать менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

«Наше последнее открытие помогает разгадать 20-летнюю космическую загадку», — сказал Дэниел Уэйлен из Университета Портсмута. «Благодаря GS 3073 у нас появились первые наблюдательные свидетельства существования этих гигантских звёзд».

«Эти космические гиганты ярко горели бы в течение короткого времени, прежде чем коллапсировать в массивные черные дыры, оставив после себя химические следы, которые мы можем обнаружить спустя миллиарды лет. Они были чем-то похожи на динозавров на Земле: огромные и примитивные. И жили недолго, всего четверть миллиона лет, космическое мгновение ока», - говорят ученые.

Ключом к открытию стало измерение соотношения азота и кислорода в галактике GS 3073.

В этой галактике соотношение азота к кислороду составляет 0,46, что намного выше, чем можно объяснить любым известным типом звезд или звездных взрывов.

«Химический состав вещества действует как космический отпечаток пальца, и картина в GS 3073 не похожа ни на что, что могут создавать обычные звезды», — сказал Девеш Нандал из Университета Вирджинии и Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов. «Его чрезвычайно высокое содержание азота соответствует лишь одному известному нам типу источников: первородным звёздам, масса которых в тысячи раз превышает массу нашего Солнца. Это говорит нам о том, что первое поколение звёзд включало в себя действительно сверхмассивные объекты, которые помогли сформировать ранние галактики и, возможно, стали зародышем для современных сверхмассивных чёрных дыр».

Исследователи смоделировали процесс эволюции звёзд массой от 1000 до 10 000 солнечных масс и то, какие элементы они производят.

Они обнаружили специфический механизм, создающий огромное количество азота: (i) эти огромные звезды сжигают гелий в своих ядрах, производя углерод; (ii) углерод просачивается в окружающую оболочку, где горит водород; (iii) углерод соединяется с водородом, образуя азот в рамках цикла углерод/азот/кислород (CNO); (iv) конвекционные потоки распределяют азот по всей звезде; и (v) в конечном итоге этот богатый азотом материал выбрасывается в космос, обогащая окружающий газ.

Этот процесс продолжается миллионы лет во время фазы горения гелия в звезде, создавая избыток азота, наблюдаемый в GS 3073.

Модели, разработанные командой, также предсказывают, что происходит, когда эти гигантские звезды умирают — они не взрываются; вместо этого они коллапсируют непосредственно в массивные черные дыры массой в тысячи солнечных масс.

Интересно, что в центре GS 3073 находится активно питающаяся черная дыра, потенциально являющаяся остатком одной из этих сверхмассивных первых звезд.

Если это подтвердится, то разрешится сразу две загадки: откуда взялся азот и как образовалась черная дыра.

Исследование также показало, что этот азотный след появляется только в определенном диапазоне масс.

«Звезды массой менее 1000 солнечных масс или более 10 000 солнечных масс не создают необходимую химическую структуру для получения характерного сигнала, что указывает на "оптимальную зону" для такого типа обогащения», — заявили ученые.