Ранее предполагалось, что первые сотни миллионов лет существования Вселенной были периодом «пустоты и темноты»: в пространстве отсутствовали звезды, не говоря уже о планетах. Однако, новые данные свидетельствуют об обратном – первые планеты могли сформироваться уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Это открытие позволяет предположить, что потенциальное начало жизни могло произойти гораздо раньше, чем считалось ранее.
Современное представление об эволюции Вселенной, особенно под влиянием данных, полученных с космического телескопа «Джеймс Уэбб», столкнулось с рядом противоречий. Концепция Темных веков — периода, длившегося до полумиллиарда лет после Большого взрыва, когда во Вселенной не было звезд, а излучение поглощалось неионизированным межзвездным газом, — не соответствует действительности. Уже через 300 миллионов лет после начала формирования Вселенной галактики становятся видимыми.
Остается вопрос о том, когда начали формироваться планетные системы, то есть такие системы, в которых возможна жизнь, а не просто звезды, составляющие галактики. Первые звезды практически не содержали тяжелых элементов, поскольку они еще не были синтезированы в процессе взрывов сверхновых (до появления первых звезд взрывов сверхновых быть не могло). Отсутствие тяжелых элементов делало формирование планет и протопланетных дисков маловероятным. В частности, не могло идти речь о создании каменистых планет, поскольку без тяжелых элементов невозможно сформировать планету, состоящую из таких элементов, как наша Земля.
Авторы недавнего исследования, которое можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета, решили смоделировать, как именно обстояли дела с образованием планет в самой ранней Вселенной. В частности, они смоделировали скорость эволюции парно-нестабильных сверхновых и их воздействие на окружающую их среду.
Парно-нестабильными сверхновыми называют особо массивные звезды — от 130 и более раз «тяжелее» Солнца, — вспыхивающие сверхновыми по необычному механизму. Когда светило настолько массивно, в его недрах суммарная энергия термоядерных реакций достигает громадных величин, создавая мощнейшее гамма-излучение. Оно настолько сильно, что образовывает пары электронов и позитронов.
Данный процесс инициируется, когда фотон с исключительно высокой энергией попадает в определенные условия, такие как взаимодействие с полем массивной заряженной частицы или ядром атома. В этом случае из энергии фотона, как бы «из ничего», рождается пара, состоящая из частицы и античастицы: электрон выступает в роли частицы, а позитрон (античастица электрона) – в роли античастицы).
Формирование пар может протекать скачкообразно, и в ходе этого процесса воздействие гамма-излучения, исходящего из ядра, на внешние слои звезды значительно ослабевает. Вместе с тем, давление, оказываемое внешними слоями светила на внутренние, не уменьшается. Таким образом, равновесие давлений между внутренними и внешними слоями звезды нарушается. Это приводит к частичному сжатию звезды, что существенно увеличивает температуру и давление внутри ее ядра.
В таких условиях могут происходить термоядерные процессы, которые обычно энергетически невыполнимы. Так, в типичной звезде реакции синтеза ядер прекращаются на стадии образования углерода (в редких случаях – кислорода или неона), поскольку дальнейшее слияние ядер требует больше энергии, чем высвобождает. Однако при парной нестабильности в ядре звезды накапливается огромное количество энергии, что приводит к активному образованию тяжелых элементов, таких как железо.
В отличие от типичных сверхновых, данный взрыв характеризуется тем, что из-за колоссальной энергии всё вещество звезды выбрасывается в межзвездное пространство. При этом не формируется ни нейтронная звезда, ни черная дыра – сверхновая полностью распадается, не оставляя следов.
Современные звезды не способны на столь яркие вспышки. Прежде всего, их масса недостаточна (в настоящее время подобные массивные объекты попросту не формируются). Кроме того, для проявления такого явления необходимо, чтобы звезда состояла преимущественно из гелия и не содержала значительного количества более тяжелых элементов. В нынешней Вселенной отсутствует необходимое сырье для создания звезд с таким дефицитом тяжелых элементов. Однако 13,5 миллиардов лет назад, когда более тяжелые элементы были крайне редки, первые поколения звезд часто взрывались именно таким образом.
В рамках нового исследования ученые оценили, как менялись подобные звезды и какое воздействие они оказывали на окружающую межзвездную среду в ранней Вселенной. Выяснилось, что после взрыва сверхновой концентрация тяжелых элементов вблизи нее может значительно возрастать, превышая даже содержание этих элементов в веществе Солнца. Кроме того, взрыв вызывает существенные возмущения в окружающем газе. Взрывная волна приводит к образованию плотных скоплений газа, из которых формируются облака, потенциально способные стать протозвездами, с массой, сопоставимой с солнечной.
В этих облаках содержится не только газ, но и пыль, состоящая из тяжелых элементов, из которой уже способны формироваться планетезималь — это твердые образования, формирующиеся из космической пыли и являющиеся строительными блоками для планет. Общая масса этих планетезималей в ранних, изученных системах Вселенной может составлять до пяти масс Земли. Это, конечно, невелико по сравнению с современными планетными системами, однако вполне достаточно для формирования каменистой планеты, схожей по массе с Землей.
Согласно расчетам, выполненным астрономами, центральная звезда в подобных системах может иметь массу, не превышающую 0,7 массы Солнца. В области орбит, простирающейся от 0,46 до 1,66 астрономических единиц (что эквивалентно расстоянию между Землей и Солнцем), содержится достаточно воды для образования планеты, потенциально обладающей океанами.
На основании проведенных исследований ученые пришли к заключению, что первые планеты, пригодные для жизни, могли сформироваться уже в первые 200 миллионов лет после начала существования Вселенной. Возможный момент их появления предшествует даже образованию древнейших галактик. К тому же, обнаружение таких планет станет реальным в ближайшем будущем благодаря изучению старейших известных звезд в нашей Галактике.