Scienty

Анализ данных, полученных космическим телескопом «Джеймс Уэбб», позволил ученым выявить наиболее перспективные кандидаты на звание первых звезд. Эти светила, возникшие из первичного газа, оказали значительное влияние на химический состав молодой Вселенной, создав предпосылки для ее дальнейшего развития, в том числе для формирования планет и возникновения жизни. Подтверждение существования таких древних объектов станет важным этапом в развитии наблюдательной астрономии.

Фото: img.freepik.com

Согласно современным научным представлениям, Вселенная появилась в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад. Сперва она была заполнена лишь горячим и плотным «супом» из элементарных частиц, который постепенно остывал. В первые минуты после Большого взрыва происходил первичный нуклеосинтез — процесс создания атомных ядер, приведший к образованию ядер лёгких элементов, преимущественно водорода и гелия.

Спустя несколько сотен миллионов лет облака, состоящие из водорода и гелия, начали сжиматься под действием гравитации, что привело к образованию первых светил, так называемых звезд поколения III. Эти звезды значительно превосходили современные по массе и температуре. В их ядрах со временем начались ядерные реакции, приведшие к образованию тяжелых химических элементов.

Когда звезды третьего поколения исчерпывают запасы топлива в своих недрах, они взрываются как сверхновые. Этот процесс сопровождается кратковременным, но чрезвычайно мощным выбросом энергии. В результате взрыва и в ходе последующих реакций образуются металлы: элементы до железа формируются в ядрах звезд, а более тяжелые, такие как золото и уран, — главным образом в r-процессе (в том числе и при слиянии нейтронных звезд).

Волна, возникшая при взрыве сверхновой, распространяла эти элементы в космическом пространстве. Газ и пыль, содержащие тяжелые металлы, перемешивались с изначальным водородом и гелием. Из этой смеси создавалось следующее поколение звезд — звезды поколения II, а впоследствии появились светила, еще более насыщенные металлами, относящиеся к поколению I.

Считается, что звезды поколения III появились примерно через 100–400 миллионов лет после Большого взрыва , а к моменту, когда Вселенной исполнилось приблизительно 800 миллионов лет, большинство из них уже погасло. Обнаружение этих светил сегодня позволит увидеть начало химических процессов в космосе. Подобные объекты были найдены международной группой астрономов под руководством Эли Висбала ( Eli Visbal) из Университета Толедо в США.

Висбал и его соавторы провели анализ данных, полученных с космического телескопа «Джеймс Уэбб», о далекой галактике LAP1-B, свет от которого достиг Земли почти 13 миллиардов лет назад. Получить возможность изучать объект, находящийся на таком расстоянии, – большая редкость. Специальный эффект позволил ученым гравитационного линзирования. Благодаря гравитационному воздействию большого скопления галактик, находящегося между LAP1-B и Землей, свет от этого объекта был усилен, действуя как гигантская гравитационная линза.

Спектральный анализ LAP1-B выявил существенные отличия от современных галактик. В её составе наблюдается дефицит «тяжелых» элементов, а также излучение высокой интенсивности — то есть большое количество высокоэнергетичных фотонов, генерируемых горячими и массивными звёздами. Таким образом, астрономы зафиксировали признаки, указывающие на то, что в LAP1-B преобладают горячие, массивные и малометалличные звёзды. Другими словами, были обнаружены характеристики, которые, согласно различным моделям, присущи звёздам поколения III.

Значимым подтверждением данной гипотезы также послужила масса звездного скопления LAP1-B. Выполненные расчеты демонстрируют, что общая масса звезд в этой галактике составляет лишь несколько тысяч масс Солнца, что значительно меньше, чем наблюдается в большинстве галактик. Предшествующие кандидаты на звание первых звезд, как правило, имели гораздо большую массу, что не соответствовало результатам компьютерного моделирования процессов их формирования. Небольшие размеры LAP1-B отлично согласуются с этими моделями.

Висбал и его коллеги также оценили количество древних звездных скоплений, которые можно было бы идентифицировать с помощью гравитационного линзирования в области неба, где было обнаружено LAP1-B, и на таком значительном удалении от Земли – в период, когда Вселенной было около 800 миллионов лет. Согласно их расчетам, можно ожидать обнаружение примерно одного такого скопления. Таким образом, теория и полученные данные оказались в полном соответствии: ученые спрогнозировали количество подобных объектов, которые им удастся найти, и их открытие подтвердило предсказание.

Однако открытие команды Висбала вызвало неоднозначную реакцию в научном сообществе . Неопределенность вызвана возрастом объекта LAP1-B. В соответствии с распространенными представлениями, звезды поколения III, как предполагается, сформировались и прекратили свое существование в диапазоне от 100 до 400 миллионов лет после Большого взрыва. Обнаружение подобных звезд в эпоху, когда Вселенной исполнилось 800 миллионов лет, представляется аномальным. Вероятно, к этому моменту межзвездная среда могла быть насыщена тяжелыми элементами в результате предыдущих взрывов сверхновых.

Учёные, подготовившие научную работу, объяснили расхождение данных тем, что, как они полагают, во Вселенной всё ещё существуют изолированные области первичного газа, в которых звездообразование началось с опозданием. В этих областях звёзды третьего поколения могли сформироваться с заметной задержкой.

Астрономы не проводили непосредственных наблюдений за звездами в LAP1-B, а изучали совокупный свет скопления и на его основе делали заключения о характеристиках этих светил. Таким образом, имеющиеся данные представляют собой косвенные свидетельства, требующие осторожной интерпретации. Аналогичные спектральные признаки могли проявиться и у других объектов, таких как аккрецирующие черные дыры, двойные звездные системы или популяции звезд с низким содержанием металлов (поколение II).

В любом случае, ученые намерены продолжить наблюдения для того, чтобы удостоверить или отклонить выдвинутую гипотезу. Для этого необходимы более развернутые данные и подробные компьютерные модели, которые позволят установить химический состав звезд LAP1-B и с уверенностью определить их происхождение.

Научная работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.