Современные взгляды на устройство Вселенной предполагают, что первые звезды существенно отличались от современных: они были гораздо массивнее и содержали незначительное количество тяжелых элементов. Именно такие звезды должны были образовать элементы тяжелее лития, необходимые для формирования жизни и твердых планет. Однако новое исследование не выявило никаких следов таких объектов даже в самых ранних эпохах, что ставит под сомнение то, как образовались современные звезды, подобные нашему Солнцу.
Непосредственно после Большого взрыва Вселенная состояла преимущественно из водорода, незначительного количества гелия и крайне малого числа атомов лития. Элементы тяжелее водорода не могли существовать: они формируются в процессе слияния ядер атомов внутри звезд. Поскольку до появления первых звезд не было условий для синтеза ядер, элементы, превосходящие литий по своей массе, были практически отсутствуют.
По мнению астрономов, для формирования звезд, подобных тем, что существуют сейчас, требуется наличие определенного количества тяжелых элементов. Звезды, образовавшиеся из вещества с низким содержанием тяжелых элементов, значительно сложнее запускают термоядерную реакцию в своих недрах (для современных звезд этот процесс облегчается углеродом, выступающим в роли «катализатора»). Следовательно, первые звезды, послужившие источником тяжелых элементов, необходимых для формирования Солнца и других звезд старшего поколения, должны были существенно отличаться от современных — они были бы гораздо массивнее.
Объекты этого типа получили название звездное население III. Их идентификация имеет огромное значение для современной астрономии, поскольку гипотеза о наличии звездного населения III позволяет найти ответ на ключевой вопрос: каким образом образовались тяжелые элементы, необходимые для формирования звезд, подобных тем, что существуют сегодня, твердых планет и возникновения жизни на Земле.
Новое исследование, проведенное европейскими учеными, (вскоре выйдет в Ще щомісячні записи Королівського астрономічного товариства ) предприняла попытку найти аналогичные объекты при анализе данных, полученных с космического телескопа «Хаббл». Для этого ученые применили передовую методику обработки информации, полученной телескопом.
Для поиска наиболее удаленных галактик ранее применялись гравитационные линзы. Если между Землей и наблюдаемым объектом располагается другой массивный объект, например галактика, он способен создавать гравитационную линзу, увеличивая видимые размеры расположенных за ним объектов. Благодаря этому стало возможным наблюдать галактики, масса которых в 10–100 раз меньше, чем те, что удавалось рассмотреть с помощью телескопа «Хаббл».
Несмотря на это, у подхода был существенный минус: галактики, выступающие в роли линз, сами по себе генерируют значительное количество звёздного света. Это затрудняет идентификацию самых слабых и наиболее удалённых галактик, представляющих наибольший интерес для изучения первых звёзд. В связи с этим, современные астрономы разработали программные инструменты для устранения влияния света от галактик-линз. Благодаря этому стало возможным наблюдать самые тусклые и далёкие галактики, когда-либо зафиксированные телескопом подобного класса.
Обнаружение подобных объектов само по себе является значительным достижением. Однако, главную цель наблюдений, первые звезды, установить не удалось. Это означает, что они прекратили свое существование уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Следовательно, формирование первого звездного поколения прошло исключительно быстро: оно успело синтезировать тяжелые элементы и исчезло, не оставив видимых следов.
Это вызывает значительные затруднения. Согласно прежним оценкам, спустя 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная только начинала период интенсивного звездообразования. Однако теперь точная дата начала этого процесса остается неясной. Теоретически, это не могло произойти слишком рано и непосредственно после Большого взрыва. Существующие астрофизические модели не демонстрируют возможности формирования большого количества первых звезд в столь ранний период.
Среди основных сложностей, возникающих в данном контексте, стоит выделить черные дыры. Звезды не могли сформироваться самостоятельно, поскольку для их образования необходимы были галактики – крупные скопления газа, служащие «строительным материалом» для звезд. В настоящее время считается, что подавляющее большинство галактик образовалось вокруг сверхмассивных черных дыр, которые и по сей день обнаруживаются в центрах галактик.
Сверхмассивные черные дыры не возникают спонтанно. Изначально предполагалось, что они формируются в результате коллапса массивных звезд, а затем увеличивают свою массу, поглощая прилегающий газ. Однако процесс увеличения массы черных дыр имеет свои ограничения: их рост не может происходить быстрее установленного предела. Согласно существующим расчетам, первые черные дыры не должны были успеть набрать необходимую массу в первые сотни миллионов лет после начала существования Вселенной.
В настоящее время не существует общепринятой теоретической модели, объясняющей, какие процессы могли инициировать формирование галактик и первых звезд в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Однако, есть предположения, что сверхмассивные черные дыры могли возникнуть сразу после Большого взрыва, что позволило бы объяснить, как галактики и звезды образовались относительно быстро.
Подобные предположения влекут за собой необходимость существенной переработки существующих космологических взглядов: например, признания существования предыдущих циклов истории Вселенной, из которых в наш цикл и попали первые массивные черные дыры.