Странные галактики в ранней Вселенной были сформированы необычными звёздами

Фото из открытых источников

Галактики и их звёзды в ранней Вселенной выглядели гораздо более необычно, чем те, которые мы видим сегодня, и астрономы хотят понять, почему. Группа исследователей из Университета Юты решила изучить определённые звёзды в близлежащих галактиках как аналоги тех, которые существовали, когда Вселенная ещё находилась в зачаточном состоянии. В исследовании, получившем название «Сокровищница чрезвычайно бедных металлами звёзд типа O» (TEMPOS), использовался ультрафиолетовый (УФ) свет, исходящий от этих относительно близких звёзд, который был обнаружен спектрографом космического происхождения космического телескопа «Хаббл».

По словам руководителя исследования Грейс Телфорд (доцент кафедры физики и астроном из штата Юта), результаты исследования могут дать астрономам гораздо более точные модели гигантских звезд «популяции III», которые впервые образовались через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Ее команда использует полученные в ходе исследования данные для идентификации этих звезд в рамках глубоких астрофизических исследований. Массивные звезды, подобные тем, что были исследованы (и которые имитируют звездный состав ранней Вселенной), оказывают огромное влияние на эволюцию своих галактик.

«Они горят очень жарко, ярко и быстро, и заканчивают свою короткую жизнь взрывами сверхновых, которые передают много энергии и вещества окружающему газу», — говорит Телфорд. «Они управляют эволюцией своих галактик-хозяев, нагревая и, по сути, регулируя газ, который затем может остыть и образовать новые звезды».

Одной из главных задач космического телескопа «Хаббл» всегда было изучение как можно более отдаленных уголков космической истории. Наблюдения за далекими галактиками начались с первого глубокого исследования в 1995 году. Уже тогда обнаруженные им крошечные далекие галактики выглядели странно, совсем не так, как те, которые мы видим сегодня. Астрономы хотели узнать историю формирования ранней Вселенной: что было первым — звезды или галактики? Они выяснили, что первыми звездами, вероятно, были эти гигантские галактики, образовавшиеся из огромного количества водорода, доступного в зарождающемся космосе. Эти звезды были более чем в десять раз массивнее Солнца, и их поведение — яркое свечение и быстрое, горячее горение — означало, что они жили гораздо меньше, чем такие звезды, как Солнце (которое является звездой первого поколения).

Они также были, как говорят астрономы, «бедными металлами». Эти первые звезды состояли в основном из водорода и гелия. Элементы тяжелее этих двух, такие как углерод, кислород, азот и так далее, называются «металлами». Таким образом, бедная металлами звезда состоит преимущественно из водорода. Эти ранние звезды соответствуют этому описанию. Но, как и большинство звезд, они превращали водород в гелий, а затем в более тяжелые металлы, вплоть до железа. Когда они погибали в результате мощных, катастрофических взрывов сверхновых, элементы, созданные в звездной кузнице, рассеивались в межзвездной среде.

Самые ранние галактики Вселенной, состоявшие из водорода и этих звёзд, также были бедны металлами. Ситуация изменилась, когда их звёзды умерли и рассеяли свои остатки в космосе. Изучение этих странных массивных звёзд ранних эпох даёт много уникальной информации о том, какими были условия в самых ранних галактиках. Массивные звёзды в наше время не дают такого же «ощущения» для древних условий, считает Телфорд. Именно поэтому было важно искать бедные металлами звёзды в галактиках, которые являются аналогом ранней Вселенной. «Массивные звёзды с низкой металличностью особенно важны для построения точных моделей ранних галактик», — объясняет Телфорд. «И мы не можем просто изучать поведение богатых металлами массивных звёзд в Млечном Пути, чтобы интерпретировать эти наблюдения».

Каталог TEMPOS включает в себя исследование близлежащих маломассивных карликовых галактик, которые больше похожи на древние галактики, чем на Млечный Путь. Млечный Путь (и Солнце) определенно не бедны металлами, поэтому команда искала ответы за пределами нашей галактики. Исследование TEMPOS сосредоточилось на 29 массивных, бедных металлами звездах в галактиках с металличностью намного ниже, чем у Солнца. Ультрафиолетовые спектры этих звезд показали их содержание металлов, а также характеристики их звездных ветров. Эти ветры уносят вещество от звезд, подобно тому, как солнечный ветер уносит вещество от нашего Солнца.

Ветер от массивных звезд — один из основных способов потери массы этими объектами в космос (перед их гибелью). Металличность определяет силу этого ветра, поскольку ионы металлов связывают излучение звезды с теряемым ею веществом. Как правило, для этих звезд, чем ниже металличность, тем слабее ветер. Это означает, что они теряют меньше массы за свою жизнь за счет звездного ветра. Данные TEMPOS отражают эти характеристики. У звезд с самой низкой металличностью скорость ветра резко снижается. Если эти звезды теряют меньше массы за свою жизнь (перед взрывом в виде сверхновых), то их эволюция и последующая гибель играют роль в эволюции их галактик-хозяев.

Один элемент, в частности, играет важную роль в звездных ветрах — это железо. Только самые массивные звезды образуют железо в своих ядрах, те, которые погибают в результате взрывов сверхновых. В бедных металлами областях это довольно редкое явление, но астрономы хотят знать, сколько железа содержится в галактике. Команда TEMPOS обнаружила линии поглощения железа в УФ-спектрах, полученных с помощью телескопа Hubble COS. Результат интригует и потребует дальнейших исследований и данных. В основном, они обнаружили, что массивные звезды в галактиках с высокой металличностью имеют более сильные сигналы железа, чем звезды в бедных металлами галактиках. Если этот результат подтвердится в более далеких ранних галактиках, то возможно, что бедные металлами звезды ранних эпох все еще могут иметь различное содержание железа. Это позволит астрономам понять, как работает физика массивных звезд и как она меняется с количеством железа, даже в областях с очень низкой металличностью в молодой Вселенной.

Работа TEMPOS находит непосредственное применение в наблюдениях за ранним космосом, проводимых телескопом JWST. В настоящее время она расширяет наше представление о самых ранних эпохах наблюдаемой Вселенной и, возможно, находится на пороге получения качественных изображений самых ранних родившихся звезд. Данные обзора доступны для публичного просмотра в Архиве космических телескопов имени Микульского Института космических телескопов.