Когда умирали первые звезды, они рассеивали в космосе тяжелые элементы, из которых впоследствии возникло разнообразие планет и жизнь в том виде, в котором мы ее наблюдаем. Однако для существования жизни необходима вода. Согласно недавнему исследованию, первые взрывы сверхновых смогли насытить водой космическое пространство еще до формирования первых галактик.
В научной работе, опубликованной сегодня в журнале Nature Astronomy, исследователи создали компьютерное моделирование взрывов сверхновых звезд гипотетического населения III (при моделировании первых звезд во Вселенной были заложены параметры светил, масса которых в 13 и в 200 раз превышала массу Солнца. Выбор таких значений был обусловлен тем, что они являются типичными представителями двух типов сверхновых.
Звезда с массой в 13 солнечных масс представляет собой типичный образец звезд от восьми до двадцати солнечных масс, которые завершают свой жизненный цикл взрывом сверхновой, вызванным коллапсом ядра. С такой средней массой звезда существовала около 12,2 миллиона лет и после себя оставила около 0,8 солнечной массы, состоящей из тяжелых элементов, в том числе приблизительно 0,051 солнечной массы кислорода.
Звезды с массой от 140 до 260 солнечных масс завершали своё существование гораздо более эффектно и внушительно — они взрывались парно-нестабильными сверхновыми. Объекты средней массы существовали в течение 2,6 миллиона лет, при этом они производили 55 солнечных масс кислорода, имея при этом общую массу тяжелых элементов, равную 113 солнечным массам.
В процессе своего существования эти звезды генерировали вокруг себя «кокон» из ионизированного водорода в космическом газовом и пылевом облаке. Согласно результатам моделирования, взрывы сверхновых не разрушали этот кокон, а стимулировали в нём интенсивное формирование дейтерия – основного компонента воды. Кислород, выброшенный сверхновыми, взаимодействовал в этих областях с водородом, приводя к образованию воды.
Сразу после взрыва сверхновой количество воды в окружающей среде увеличивалось постепенно, однако затем этот рост значительно ускорился, достигнув нескольких порядков. Максимальная концентрация воды наблюдалась в плотном центре остатка сверхновой, где было скопилось большое количество тяжелых элементов, образовавшихся из разрушенной звезды. Вероятно, именно такие области являлись основными поставщиками воды для большинства ранних звездных скоплений.
Согласно проведенным расчетам, концентрация воды в остатках взрывов сверхновых составляла примерно 10 -10, при этом количество галактик было на порядок меньше, чем в современной Млечной системе. И это произошло всего через 100–200 миллионов лет после Большого взрыва.
Согласно результатам исследований, количество воды в протопланетном диске, образовавшемся из остатков парно-нестабильной сверхновой, вероятно, уступало объему воды в Солнечной системе лишь в десять раз. Кроме того, в этом диске присутствовали необходимые элементы для формирования планетезималей, подобных земным, в потенциально обитаемой зоне системы, что могло привести к образованию планет с жидкой водой на их поверхности. Возможно, в ходе будущих наблюдений за экзопланетами удастся обнаружить такие древние миры.
В рамках исследования авторы создали модель, имитирующую взрыв лишь одной сверхновой в облаке. Скорее всего, первые звезды не формировались в изоляции, и области их взрывов могли пересекаться. В таком сценарии на границах областей молекулы воды подвергались распаду, однако плотные центральные части остатков сверхновых, безусловно, выдержали бы взаимодействие.
Остается невыясненным, сохранилась ли вода в процессе формирования первых галактик. С одной стороны, химические процессы и излучение звезд могли привести к распаду молекул. С другой стороны, пылевые облака могли обеспечить защиту части первичной воды.