До нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная была очень темным местом. Не было ни звезд, ни галактик. Появление первых звезд остается загадкой для ученых. Новое моделирование, возможно, продемонстрировало механизм, лежащий в основе формирования сверхмассивных звезд: холодная струя материи, вызывающая коллапс первых скоплений вещества.
Считается, что Вселенная родилась около 13,8 миллиарда лет назад, и в первые годы своего существования она сильно отличалась от сегодняшней. В течение почти 400 000 лет весь космос был непрозрачным, что означает, что у нас нет прямых наблюдений за тем, что происходило в этот период. Даже после того, как Вселенная стала прозрачной, потребовалось много времени для формирования первых звезд и галактик, в результате чего у нас осталось мало информации об этом периоде.
Астрономы считают, что первые звезды были очень массивными по сравнению с современными звездами, и что они, вероятно, образовали первые черные дыры. Но, как уже упоминалось ранее, во Вселенной нет наблюдений за формированием первых звезд. Поэтому ученые обращаются к сложным компьютерным симуляциям для проверки моделей раннего звездообразования.
Недавно группа астрономов, похоже, разгадала загадку того, как формировались первые звезды. Компьютерное моделирование показало, что большие потоки холодной плотной материи могут попадать в аккреционный диск в центре гигантских газовых скоплений, формировавшихся в темные времена. Эти скопления, масса которых в 100 000 раз превышает массу Солнца, могли бы привести к рождению первых звезд. Эти теоретические результаты опубликованы на платформе препринтов в ожидании экспертной оценки.
Темная эпоха и рождение звезд
Когда Вселенная остыла настолько, что газ из протонов и электронов «рекомбинировал», образовав атомарные водород и гелий, свет впервые смог свободно перемещаться. Сегодня мы наблюдаем этот свет в виде рассеянного свечения в небе. Это космический микроволновый фон, описывающий состояние Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва. Астрономы называют это время «темным веком» Вселенной, потому что звезды еще не образовались.
Но небольшие пульсации плотности под воздействием гравитации образовали первые скопления материи — места будущих галактик. В настоящее время считается, что первые галактики появились через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, в результате чего возник большой поток ультрафиолетового излучения, который реионизировал водород во Вселенной. Когда они произвели достаточно ультрафиолетового света, чтобы реионизировать весь водород, Вселенная вышла из темной эпохи.
Моделирование до настоящего исследования показывало плотные карманы в ранних галактиках, которые быстро остывают из-за радиационного излучения, но не имело достаточного разрешения, чтобы проследить их последующую эволюцию. Новое исследование позволяет нам наблюдать за поведением этих холодных плотных карманов, которые первоначально формируются в ранней Вселенной.
Массивные звезды на заре Вселенной, зарождение современного космоса
Новое моделирование, проведенное исследователями, отличается от предыдущих главным образом тем, что оно сосредоточено на конкретном явлении: холодной аккреции. Для формирования массивных звезд требуется значительное количество материи, сосредоточенной в чрезвычайно малом объеме. Тем не менее по логике вещей, такое расположение приводит к повышению температуры. Однако для рождения звезды необходимо, чтобы это накопление материи происходило без повышения температуры, поскольку более горячая среда препятствует коллапсу кластера. Поэтому очень важно отводить тепло, как показало моделирование в данном исследовании.
Действительно, они показали, что большие потоки холодной, плотной материи могут попасть в аккреционный диск в центре гигантских скоплений материи. Когда это происходит, снаружи внутрь образуется ударная волна, быстро дестабилизирующая газ и вызывающая мгновенный коллапс этих скоплений.
Эти скопления могут быть в десятки тысяч или даже в 100 000 раз массивнее Солнца. Поэтому, когда ничто не может остановить их коллапс, они теоретически могут образовывать сверхмассивные звезды.
Учитывая их массу и состав, эти ранние звезды имели бы чрезвычайно короткую жизнь (менее миллиона лет) по сравнению с современными звездами (миллиарды лет), прежде чем взорваться в сверхновые.
Эти взрывы должны были нести продукты реакций внутреннего синтеза — более тяжелые элементы, которые являются строительными блоками современного космоса и необходимы для жизни — и запускать последующие циклы звездообразования. Однако повторное образование таких сверхмассивных объектов невозможно из-за наличия более тяжелых элементов.
Астрономы пока не знают, формировались ли сверхмассивные звезды в ранней Вселенной. Будущие наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, несомненно, дадут ключ к разгадке формирования первых звезд и галактик.