Через сотни миллионов лет после Большого взрыва Вселенная была очень темной. Не было ни звезд, ни галактик. Образование первых звезд остается загадкой для ученых. Новое моделирование, возможно, показало механизм формирования сверхмассивных звезд: холодная струя вещества, вызывающая коллапс первых скоплений материи.
Вселенная возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад, но первые годы её существования были существенно разными от сегодняшних. В течение почти 400 тысяч лет весь космос был непроницаемым, поэтому прямых наблюдений за этим периодом нет. Даже после того, как Вселенная стала прозрачной, формирование первых звезд и галактик заняло много времени, оставив мало информации об этом периоде.
Астрономы полагают, что первоначальные звезды были значительно массивнее современных и, возможно, породили первые черные дыры. Из-за отсутствия наблюдений за формированием первых звезд в космосе ученые используют сложные компьютерные модели для проверки гипотез о раннем звездообразовании.
Недавно астрономы, возможно, решили загадку формирования первых звезд. Компьютерное моделирование выявило, что огромные потоки холодной плотной материи могут попадать в аккреционный диск в центре гигантских газовых скоплений, возникших в раннюю эпоху Вселенной. Эти скопления, масса которых превосходит массу Солнца в 100 000 раз, могли стать причиной появления первых звезд. Теоретические выводы опубликованы на платформе препринтов. в ожидании экспертной оценки.
Темная эпоха и рождение звезд
После того как Вселенная остыла достаточно, чтобы газ из протонов и электронов объединился в атомы водорода и гелия, свет смог свободно распространяться. Сейчас этот свет мы видим в виде рассеянного свечения на небе. Это космический микроволновый фон, показывающий состояние Вселенной через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Астрономы называют это время «темным веком», поскольку звезды еще не появились.
Меньшие колебания плотности под воздействием гравитации создали первые скопления материи — места будущих галактик. Полагают, что первые галактики появились через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, в результате чего возник поток ультрафиолетового излучения, который реионизировал водород во Вселенной. Когда выделилось достаточно ультрафиолетового света для реионизации всего водорода, Вселенная вышла из темной эпохи.
Предыдущие модели показывали плотные скопления в первых галактиках, быстро охлаждающиеся из-за радиационного излучения, но не обладали достаточной детализацией для отслеживания их последующей эволюции. Новое исследование дает возможность наблюдать за поведением этих холодных плотных скоплений, первоначально образовывающихся в ранней Вселенной.
Громадные звёзды ранней Вселенной образовали современный космос.
Новое моделирование исследователей отличается от предыдущих тем, что сосредоточено на холодной аккреции. Формирование массивных звезд требует большого количества материи в ограниченном объеме. Такое расположение логично приводит к повышению температуры. Для рождения звезды накопление материи должно происходить без повышения температуры, поскольку горячая среда препятствует коллапсу кластера. Поэтому важно отводить тепло, как показало моделирование.
Большие потоки холодной, плотной материи могут попадать в аккреционный диск в центре гигантских скоплений материи. При этом снаружи внутрь образуется ударная волна, быстро дестабилизирующая газ и вызывающая мгновенный коллапс этих скоплений.
Эти скопления могут быть в десятки тысяч или даже сто тысяч раз больше Солнца по массе. В случае, если ничто не сможет остановить их коллапс, теоретически может произойти образование сверхмассивных звезд.
С учетом массы и состава эти первые звезды жили бы невероятно недолго — меньше миллиона лет, — в отличие от современных звезд, которые живут миллиардами лет, прежде чем стать сверхновыми.
Взрывы должны были производить продукты реакций внутреннего синтеза — более тяжёлые элементы, являющиеся строительными блоками современного космоса и необходимыми для жизни — и запускать последующие циклы образования звёзд. Однако повторное образование таких сверхмассивных объектов невозможно из-за наличия более тяжёлых элементов.
Астрономы пока не знают, существовали ли сверхмассивные звезды в ранней Вселенной. Будущие наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба дадут ответы о формировании первых звёзд и галактик.