Японские астрономы выявили новый механизм формирования звезд, воссоздающий условия, существовавшие в ранней Вселенной. Полученные данные позволяют предположить, что первые звёзды могли возникать иным способом, чем современные. Это открытие способно пролить свет на процессы, происходившие при формировании звёзд 10 миллиардов лет назад.
Современные астрономические инструменты позволили ученым узнать, каким образом звезды формируются в настоящее время. Их рождение происходит в плотных и холодных космических «колыбелях — молекулярных облаках.
Эти области — обширные облако газа и пыли, а температура в них может достигать десятков градусов, превышающих абсолютный ноль (до минус 260 градусов Цельсия). Молекулярными называют потому, что они в основном состоят из молекулярного водорода, хотя могут содержать множество различных соединений. Атомы водорода сближаются, связываются за счет ковалентной связи и образуют молекулу водорода.
Под воздействием силы тяжести газ и пыль начинают сжиматься. Сгущающийся материал формирует плотные образования — протозвезды, которые впоследствии нагреваются. Достижение необходимой температуры в ядре приводит к запуску ядерного синтеза: водород преобразуется в гелий, и протозвезда воспламеняется, превращаясь в полноценную звезду.
По мере того, как газовое облако начинает сжиматься под воздействием гравитации, в нем содержатся не только атомы водорода, но и более тяжелые элементы, или «металлы». Они возникли в результате процессов, происходивших в предшествующих поколениях звезд, и способствуют охлаждению газа, а также помогают формировать молекулы, которые эффективно рассеивают тепло.
В молекулярных облаках может возникнуть до тысячи звездных объектов, и эти объекты обладают значительной массой, охватывая территории, протянувшиеся на сотни световых лет. В Млечном Пути эти облака выглядят как вытянутые нитевидные образования, ширина которых составляет приблизительно 0,3 светового года. По мнению исследователей, Солнечная система образовалась в подобном «нитевидном» облаке.
Как же возникали звезды в ранней Вселенной, практически лишенной тяжелых элементов? Попытку найти ответ на этот вопрос предприняла группа японских астрономов, возглавляемая Казуки Токуда ( Kazuki Tokuda) из Университета Кюсю. В ходе исследования ученые рассмотрели галактику, условия в которой напоминают условия, существовавшие в ранней Вселенной.
Токуда и его коллеги провели наблюдения за Малым Магеллановым Облаком — карликовой галактикой, расположенной на расстоянии 20 тысяч световых лет от Земли. Содержание тяжелых элементов в ней в пять раз меньше, чем в Млечном Пути, благодаря чему она во многом напоминает космическую среду, существовавшую около 10 миллиардов лет назад. Используя радиотелескоп ALMA, расположенный в Чили, исследователи впервые получили подробные изображения 17 молекулярных облаков, в которых зарождаются молодые звезды, чья масса в 20 раз больше массы Солнца.
Полученные данные преподнесли сюрприз: 60 процентов облаков обладают нитевидной структурой, ширина которой составляет 0,3 светового года, подобно тому, как это наблюдается в нашей Галактике. Однако остальные 40 процентов имели иное строение – они напоминали «пушистые» скопления газа, лишенные выраженной формы. Температура внутри нитевидных облаков оказалась выше, чем в «пушистых». Авторы исследования полагают, что эта разница обусловлена возрастом данных структур.
По словам Токуды, первоначально все молекулярные облака имели нитевидную форму и характеризовались высокой температурой из-за постоянных столкновений между частицами. Горячее облако отличается стабильностью и меньшей степенью перемешивания. Высокая температура также обуславливает слабую турбулентность газа.
Со временем облако остывает. Попадая в эту структуру в виде холодного газа, он ускоряется (возникает повышенная турбулентность) и перемешивает облако, как будто взбивает. В результате этого нитевидная структура становится менее выраженной, и молекулярное облако приобретает «пушистую» форму.
«Структура облака оказывает влияние на формирование звезд в нем. Если молекулярное облако сохраняет вытянутую форму, оно способно распадаться на множество небольших фрагментов вдоль своей оси. В каждом из этих фрагментов может возникнуть звезда, аналогичная нашему Солнцу, с планетной системой. Однако, если облако приобретает более рыхлую структуру, то есть теряет вытянутость, то звездам, подобным нашему светилу, будет сложнее сформироваться», — пояснил Токуда.
В ходе исследования было отмечено, что форма молекулярного облака зависит от окружающей среды. В частности, наличие достаточного количества тяжелых элементов способствует поддержанию нитевидной структуры, что, вероятно, играет значимую роль в процессе формирования планетных систем.
В дальнейшем Токуда и его соавторы намереваются сопоставить информацию о молекулярных облаках в Малом Магеллановом Облаке с аналогичными данными, полученными в других галактиках. Это исследование позволит выяснить, как изменения в химическом составе Вселенной повлияли на процессы формирования звёзд.
Научная работа опубликована в The Astrophysical Journal.