Как первые звёзды Вселенной могли быть массивнее современных в миллионы раз

Звёзды Population III (Pop III) — это первые звёзды, которые когда-либо образовались во Вселенной. В отличие от современных звёзд, они сформировались полностью из первозданного водорода и гелия, без более тяжёлых элементов, которые астрономы называют «металлами». Несмотря на улучшение телескопов и возможность заглядывать всё дальше в прошлое космоса, эти звёзды до сих пор не обнаружены с уверенностью.

Теория предсказывала, что Pop III звёзды должны были сгореть и исчезнуть задолго до того, как их смог бы увидеть телескоп James Webb Space Telescope (JWST). Однако JWST обнаружил признаки таких звёзд в галактиках, расположенных гораздо позже в космической истории — на сотни миллионов лет позже, чем ожидалось.

Загадка позднего появления первозвёзд

Исследование, проведённое Тэ Бонгом Джеоном из Cosmic Frontier Center при Техасском университете в Остине, объясняет эту загадку. Для того чтобы Pop III звёзды образовались позже, чем предсказывали модели, должны быть выполнены два условия: облака водорода и гелия не должны коллапсировать слишком рано, и они должны оставаться незагрязненными металлами от соседних сверхновых.

Роль молекулярного водорода и охлаждения

В ранней Вселенной облака первозданного газа могли коллапсировать под действием собственной гравитации только если они охлаждались. Единственным «охладителем» для этих облаков была молекула водорода (H₂). Эта молекула была критически важна для образования первых Pop III звёзд, так как позволяла тёмной материи притягивать достаточно газа для начала ядерного синтеза.

Однако в более поздние периоды развития Вселенной молекулярного водорода стало больше, что теоретически должно было привести к более частому образованию Pop III звёзд. Учитывая их короткие жизненные циклы, они должны были сгореть задолго до периодов, в которых их видит JWST.

Lyman-Werner излучение как механизм задержки

Решение этой головоломки заключается в механизме, известном как Lyman-Werner (LW) излучение. Это мягкое ультрафиолетовое излучение, которое разрушает молекулы водорода при контакте, превращая их в атомарный водород. Атомарный водород намного менее эффективен для охлаждения газовых облаков.

Если облако газа подвергается воздействию LW излучения, образование звёзд задерживается до достижения стадии «атомного охлаждения». На этом этапе количество материала становится настолько огромным, что атомарный водород, образовавшийся после разрушения молекулярного водорода, наконец может вызвать катастрофический коллапс в звезду.

Структура защиты в тёмной материи

В своём моделировании авторы исследования подвергли тёмную материю «ореол» различным уровням LW излучения. Они обнаружили, что развивается отчётливая структура: внешние слои ореола остаются чрезвычайно горячими из-за длительного воздействия внешнего УФ-излучения, в то время как внутреннее ядро становится плотнее и образует своего рода щит. Таким образом, внешний слой берёт на себя основной удар тепла, а внутренний слой охлаждается и в конечном итоге образует звезду.

Гонка между излучением и загрязнением

LW излучение — не единственное, что плавает в космосе в периоды потенциального образования этих «поздних» Pop III звёзд. Там также присутствуют металлы от других сверхновых. Однако они движутся намного медленнее. По данным авторов, LW излучение от соседних сверхновых может достичь первозданных облаков газа и пыли на сотни миллионов лет быстрее, чем частицы металлов, которые могли бы «загрязнить» их в звёзды Population II (следующее поколение звёзд, содержащих некоторое количество металлов).

Перспективы обнаружения

Авторы исследования рассчитали, что с помощью гравитационного линзирования можно обнаружить Pop III звёзды, используя современный набор оборудования. Однако использование гравитационных линз требует значительной удачи, так как объект поиска должен находиться в прямой линии с галактикой, создающей линзирование.

Эта удача становится ещё менее вероятной из-за редкости условий, необходимых для образования этих звёздных вспышек — интенсивной ультрафиолетовой ванны и первозданного, незагрязненного кармана газа. Тем не менее авторы рассчитали, что, используя обзоры типа GLIMPSE, разработанные специально для использования гравитационных линз, исследователи могли бы найти до девяти таких поздно расцветающих Pop III звёздных вспышек.

Это данные исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv, а не медицинский совет.