Первые звезды во Вселенной

Самые первые звезды могли появиться, когда Вселенной было всего 100 миллионов лет, или менее 1 процента ее нынешнего возраста. С тех пор быстрое расширение космоса кануло их свет в забвение, оставив нас искать ключи к разгадке их существования в космических источниках ближе к дому.
Анализируя свет, исходящий от облаков вокруг далекого квазара, исследователи из Японии, Австралии и США обнаружили, что «отличительная смесь тяжелых элементов» могла исходить только из одного источника: колоссальной сверхновой звезды первого поколения.
Все звезды, которые мы можем наблюдать, классифицируются как Population I или Population II, в зависимости от их возраста. Звезды Population I моложе и содержат больше тяжелых элементов, а звезды Population II старше и содержат меньше тяжелых элементов.
Самые первые звезды, описанные как Population III, еще старше, их существование совпадает с космическими расстояниями, которые делают их вне поля зрения даже наших лучших технологий. Пока мы можем только предполагать, как они могли выглядеть.
Ученые считают, что эти самые ранние звезды были очень горячими, яркими и массивными, возможно, в сотни раз превышающими массу нашего Солнца.
Без истории мощных космических событий с образованием элементов тяжелее лития звезды Population III полностью состояли бы из простейших газов. В то время единственными материалами, доступными во Вселенной, были водород, гелий и немного лития, обнаруженные в первичном газе, оставшемся после Большого взрыва. Только после того, как сами первые звезды разрушились в ожесточенном столкновении, могли появиться более тяжелые элементы. Эти первые звезды, вероятно, завершили свою жизнь сверхновыми с нестабильностью пар, теоретический тип сверхсверхновых возможен только в таких массивных звездах.

В отличие от других сверхновых, это не оставит после себя звездных остатков, таких как нейтронная звезда или черная дыра, вместо этого выбросив все наружу в виде постоянно расширяющегося облака. Этот взрыв мог засеять древнее межзвездное пространство тяжелыми элементами, необходимыми для формирования каменистых миров, подобных нашему, — таким образом, создав жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, — так что общий эффект положительный.
Однако для астрономов на Земле, которые сейчас надеются узнать о звездах Population III, свет от этих древних мегавзрывов исчез вдали, оставив лишь рассеянное облако, содержащее сложную смесь элементов.
Со временем эта смесь материалов может превратиться во что-то новое. Чтобы найти признаки такой концентрации звездной пыли, авторы нового исследования использовали данные спектрографа в ближнем инфракрасном диапазоне от одного из самых далеких известных квазаров — типа активного галактического ядра или чрезвычайно яркого центра молодой галактики. Исследователи отмечают, что свет этого квазара мчался в космосе 13,1 миллиарда лет, прежде чем достиг Земли, а это означает, что мы видим квазар таким, каким он выглядел, когда Вселенной было всего 700 миллионов лет.
Спектрограф — это прибор, который улавливает и разделяет входящий свет, в данном случае от небесного объекта, на составляющие его длины волн. Это может показать, какие элементы присутствуют в удаленном объекте, хотя собрать эту информацию не всегда легко. Авторы отмечают, что яркость линий в астрономических спектрах может зависеть от факторов, отличных от распространенности элемента, что может усложнить усилия по идентификации конкретных элементов.
Тем не менее двое авторов исследования — астрономы Юдзуру Йошии (Yuzuru Yoshii) и Хироаки Самешима (Hiroaki Sameshima) из Токийского университета (University of Tokyo) — уже придумали способ обойти эту проблему. Их метод, который включает использование интенсивности длин волн для оценки распространенности элементов, позволил исследовательской группе проанализировать состав облаков вокруг этого квазара. Анализ выявил странно низкое соотношение магния и железа в облаках, в которых железа было в 10 раз больше, чем магния по сравнению с нашим Солнцем. Исследователи говорят, что это была подсказка, предполагающая, что это был материал от катастрофического взрыва звезды первого поколения.
«Для меня было очевидно, что кандидатом в сверхновую для этого будет сверхновая с парной нестабильностью звезды Population III, в которой вся звезда взрывается, не оставляя после себя никаких остатков», — говорит соавтор Юзуру Йошии, астроном из Университета Токио.
«Я был рад и несколько удивлен, обнаружив, что парная нестабильность сверхновой звезды с массой примерно в 300 раз больше массы Солнца обеспечивает соотношение магния и железа, которое согласуется с низким значением, которое мы получили для квазара».
Йоши и его коллеги отмечают, что в 2014 году было сообщено, по крайней мере, еще об одном потенциальном следе звезды Population III, но они утверждают, что это новое открытие является первым, дающим столь убедительные доказательства. Если они правы в том, что они обнаружили, это исследование может иметь большое значение для раскрытия того, как материя развивалась в течение истории Вселенной. Но чтобы быть уверенным, добавляют они, потребуются дополнительные наблюдения, чтобы проверить наличие подобных черт у других небесных объектов. Возможно, не все эти наблюдения должны исходить от таких далеких квазаров.
Даже если во Вселенной больше не осталось звезд Population III, долговечность их остатков сверхновых означает, что доказательства могут скрываться практически где угодно, включая местную Вселенную вокруг нас.
«Теперь мы знаем, что искать, у нас есть путь», — говорит соавтор Тимоти Бирс, астроном из Университета Нотр-Дам.
«Если бы это произошло локально в очень ранней Вселенной, что должно было произойти, то мы ожидали бы найти доказательства этого».