Первые звезды ранней Вселенной раскрыли тайну — их размеры оказались такими, что меняют историю космоса

Первичные гиганты могли породить ранние сверхмассивные дыры – Даниэль Уэйлен

Загадочные светила в молодой Вселенной давно заставляют астрономов пересматривать привычные представления о том, как быстро могут формироваться самые яркие и мощные объекты космоса. Особенно это касается квазаров — источников ослепительного сияния, питаемых сверхмассивными черными дырами. Эти гиганты существовали уже спустя каких-то несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, что кажется невозможным при обычной эволюции звезд. Об этом сообщает исследовательская работа международной научной группы.

Как родилась гипотеза о звёздах-титанах

Ученые давно понимали, что привычный путь роста звезд — от небольших слияний к более крупным объектам — не способен так быстро породить черные дыры с массами в миллионы солнц. Отсюда появилась идея о существовании первого поколения "звёзд-монстров", чья масса могла в тысячи раз превышать массу Солнца. Эти гипотетические гиганты, возникавшие в экстремальных условиях ранней Вселенной, могли бы дать быстрый старт процессу формирования сверхмассивных черных дыр.

Долгое время теория оставалась без прямых наблюдательных подтверждений, поскольку такие объекты жили недолго и исчезли задолго до появления структур, доступных современным телескопам. Но новые данные от космического телескопа Джеймса Уэбба изменили ситуацию.

Исследователи обратили внимание на галактику GS 3073, чей свет путешествовал к нам миллиарды лет. В ее химическом составе ученые обнаружили закономерности, которые обычные звезды не способны воспроизвести. Наблюдения укладываются в гипотезу о существовании огромных первичных звезд и согласуются с тем, как происходят некоторые взаимодействия между звездами и черными дырами, описанные в исследованиях о взаимодействии чёрной дыры и звезды.

"Эти космические гиганты блестяще горели в течение короткого времени, прежде чем рухнуть в массивные черные дыры, оставив после себя химические сигнатуры, которые мы можем обнаружить миллиарды лет спустя", — сказал д-р Даниэль Уэйлен.

Он сравнил таких звездных титанов с динозаврами: огромные и яркие, они прожили короткую, но заметную жизнь — всего около четверти миллиона лет.

Химический почерк первых звёзд

Каждая звезда оставляет в космосе собственный "отпечаток пальца" — уникальный набор элементов, выброшенных в окружающее пространство. У GS 3073 этот химический рисунок оказался слишком необычным, чтобы быть следствием привычных процессов.

"Его экстремальный азот соответствует только одному типу источника, о котором мы знаем — изначальные звезды в тысячи раз более массивные, чем наше Солнце", — отметил Девеш Нандал.

Такой состав предполагает, что эти гиганты играли важную роль в формировании ранних галактик и могли стать семенами для будущих сверхмассивных черных дыр.

Исследователи создали детальные модели того, как такие звезды должны эволюционировать. Внутри них гелий превращается в углерод, который поднимается в внешние слои, где вступает в реакцию CNO-цикла. Именно эта реакция производит большое количество азота — и создает необычное соотношение элементов, обнаруженное в GS 3073.

Как звезды-гиганты завершали жизнь

Моделирование показало, что первичные звезды соответствующей массы не взрывались как классические сверхновые. Вместо этого они рушились прямо в черные дыры массой в тысячи солнечных. Такой механизм позволяет молодой Вселенной быстро попасть на траекторию формирования огромных черных дыр, которые затем стали центрами формирования галактик.

В самой GS 3073 уже обнаружена действующая центральная черная дыра — вероятно, остаток одной из тех самых звезд-монстров. Химический состав газа вокруг неё указывает на связь между первичными гигантами и современными активными галактическими ядрами.

Исследователи также выяснили, что азотный сигнал возникает только в узком диапазоне масс первых звезд — примерно от 1000 до 10 000 солнечных. Объекты меньшей или большей массы не дают подобного химического следа.

Почему эти открытия важны для космологии

Период нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва называют "космическими Темными веками". Именно тогда зажглись первые звезды, сформировались первые крупные структуры и возникли условия для появления сложной химии.

Если звезды-монстры и правда были широко распространены, они могли ускорить появление галактик и тяжелых элементов, существенно изменив темп эволюции Вселенной. Ученые считают, что новые данные помогут уточнить модели роста сверхмассивных черных дыр и объяснить их существование на самых ранних этапах космической истории — наблюдения, которые лежат в основе современных представлений об эволюции звезд и формировании звездных структур, встречающихся даже в исследованиях, связанных с необычными созвездиями.

JWST продолжает наблюдения, и исследователи ожидают обнаружить больше галактик с похожими признаками обогащения азотом. Каждый новый пример позволит уточнить картину рождения первых звезд и дать ответ на вопрос, насколько часто формировались такие экстремальные объекты.

Сравнение: звезды обычной массы и сверхмассивные первичные звезды

Обычные звезды проходят долгий путь формирования, ограниченный скоростью слияний и накоплением массы.
Первичные гиганты возникают быстро — лишь в особых потоках холодного газа ранней Вселенной.
Звезды среднего размера завершали жизнь взрывом сверхновой, выбрасывая элементы во внешнюю среду.
Звезды-титаны рушились напрямую в черные дыры, давая Вселенной мощный толчок к раннему появлению квазаров.

Плюсы и минусы гипотезы о звездах-монстрах

Преимущества гипотезы:

объясняет раннее появление сверхмассивных черных дыр;
согласуется с наблюдениями JWST;
оправдывает необычное соотношение азота и кислорода;
вписывается в современные представления о динамике молодой Вселенной.

Ограничения и сложности:

прямые наблюдения таких звезд невозможны;
модели зависят от условий, которые трудно воспроизвести;
химический след может иметь альтернативные объяснения;
необходимо больше галактик со схожими признаками для подтверждения.

Советы по анализу ранних галактик

Учитывать химический состав как ключевой маркер происхождения первых звезд.
Использовать многоволновые наблюдения для выявления слабых сигналов.
Сравнивать данные разных галактик, чтобы выявить закономерности обогащения.
Применять модели эволюции звезд в сочетании с симуляциями формирования галактик.