Обнаружены доказательства существования «гигантских звёзд» в ранней Вселенной

Фото из открытых источников

Одной из величайших загадок, для исследования которой был разработан космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), было рождение сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Более двадцати лет астрономы ломали голову над тем, как эти гравитационные гиганты — массой от миллионов до миллиардов солнечных масс — могли существовать менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Согласно наиболее широко принятым космологическим моделям, массивные черные дыры не успели сформироваться в результате обычных процессов образования и слияния черных дыр.

Недавние наблюдения поставили под сомнение эти модели и подтвердили альтернативную гипотезу о том, что «зародыши» сверхмассивных черных дыр образовались непосредственно из коллапсирующих облаков космического газа, известных как черные дыры прямого коллапса (ЧДД). Единственная альтернатива заключается в том, что в ранней Вселенной существовали звезды (звезды третьего поколения), достаточно массивные, чтобы оставить после себя массивную черную дыру. Используя телескоп JWST, международная группа обнаружила первые доказательства, подтверждающие теорию о существовании в ранней Вселенной «звезд-монстров» массой от 1000 до 10000 солнечных масс.

Группу возглавлял Девеш Нандал, научный сотрудник Швейцарского национального научного фонда, работающий в Университете Вирджинии и Институте теории и вычислений (ITC) при Гарвардско-Смитсоновском центре астрофизики (CfA). К нему присоединились Даниэль Уэйлен, старший преподаватель космологии в Институте космологии и гравитации (ICG) Университета Портсмута; Мухаммад А. Латиф, астрофизик из Университета Объединенных Арабских Эмиратов (UAEU), и Александр Хегер, исследователь из Школы физики и астрономии Университета Монаша.

Используя телескоп JWST, команда исследовала химические сигнатуры в галактике GS 3073, первоначально обнаруженной в 2022 году Латифом, Уэйленом и их коллегами из Института астрономии (IfA) Эдинбургского университета, Эксетерского университета и Научно-исследовательского центра астрономии и астрофизики им. Герцберга . В то время группа исследователей отметила экстремально высокое соотношение азота к кислороду (0,46), намного превышающее то, что можно было бы объяснить любым известным типом звезд или звездным взрывом. Это привело их к теории о том, что первые звезды во Вселенной, известные как звезды третьего поколения (Population III), образовались из турбулентных потоков холодного газа через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Они также отметили, что в центре GS 3073 находится активно питающаяся черная дыра, которая может быть остатком одной из таких «звезд-монстров». Существование такого рода звездных объектов, по их утверждению, объяснило бы, почему телескоп Webb обнаружил множество квазаров, существовавших менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Это явление, также известное как активные галактические ядра (АГЯ), вызвано сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, которые ускоряют падающий газ и пыль почти до скорости света. В результате этого высвобождается огромное количество энергии, из-за чего центральная область временно затмевает все звезды в диске. 

«Химический состав веществ действует как космический отпечаток пальца, и картина в GS3073 не похожа ни на что, что могут производить обычные звезды. Экстремальное содержание азота в ней соответствует только одному известному нам типу источников — первородным звездам, масса которых в тысячи раз превышает массу нашего Солнца. Это говорит о том, что первое поколение звезд включало в себя действительно сверхмассивные объекты, которые помогли сформировать ранние галактики и, возможно, стали зародышем современных сверхмассивных черных дыр», - говорит Нандал.

Чтобы проверить эту теорию, Латиф, Уэйлен и их команда смоделировали эволюцию звёзд массой от 1000 до 10 000 солнечных масс и химические вещества, которые они производят. Это позволило им определить конкретный механизм, объясняющий наблюдаемое в GS3073 соотношение азота и кислорода. Он начинается с того, что гигантские звёзды синтезируют гелий в своих ядрах, образуя углерод, который просачивается в окружающую оболочку, где происходит синтез водорода. Там углерод соединяется с водородом, образуя азот, который распределяется по всей звезде конвекционными потоками и в конечном итоге выбрасывается в космос.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока гелий будет синтезироваться в ядре (миллионы лет), обогащая окружающее газовое облако до тех пор, пока не будет наблюдаться соотношение азота и кислорода. Модель, разработанная командой, также предполагает, что эти гигантские звезды не взрываются как сверхновые в конце своего жизненного цикла, а коллапсируют непосредственно в массивные черные дыры, которые являются «зародышами» сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня. Они также обнаружили, что этот азотный след не встречается в звездах меньшего или большего размера, чем звезды в этом диапазоне масс. Если это подтвердится, эти звезды объяснят две загадки, возникшие в результате предыдущих наблюдений телескопа Уэбба.

Более того, эти результаты дают новое представление о Вселенной в период от 380 000 до 1 миллиарда лет после Большого взрыва — так называемые «космические темные века». До недавнего времени эта космологическая эпоха была недоступна для астрономов, поскольку свет этого периода слишком слаб для наблюдения с помощью современных инструментов, требующих передовой инфракрасной оптики, подобной той, что используется в телескопе JWST. Исследователи предсказывают, что в будущих исследованиях будут обнаружены новые галактики с аналогичным избытком азота, что позволит ученым более подробно изучить потенциальное существование «звезд-монстров». Уэйлен сказал:

Наше последнее открытие помогает разгадать 20-летнюю космическую загадку. Благодаря GS 3073 мы получили первые наблюдательные доказательства существования этих гигантских звезд. Эти космические гиганты ярко горели в течение короткого времени, прежде чем коллапсировать в массивные черные дыры, оставляя после себя химические следы, которые мы можем обнаружить спустя миллиарды лет. Немного похоже на динозавров на Земле — они были огромными и примитивными. И у них была короткая жизнь, всего четверть миллиона лет — космическое мгновение ока.