Вчені вивчають потомство перших зірок Всесвіту

Найперші зірки Всесвіту були гігантами, які швидко горіли й гинули молодими під час вражаючих вибухів. Можливо, їх ніколи не помітять безпосередньо, хоча космічному телескопу NASA James Webb, який, дивлячись далеко, може побачити часи, коли вони сяяли, може пощастити. Тим часом астрономи, можливо, виявили наступну найкращу річ: нащадка, який народився з уламків зірки першого покоління, яка з того часу тихо світить біля Чумацького Шляху. Ретельніший огляд і виявлення більшої кількості подібних нащадків могли б підказати дослідникам, наскільки великими були перші зірки та як вони вплинули на еволюцію Всесвіту.

«Ми намагаємося провести криміналістичний аналіз об’єктів, які вибухнули 13,5 мільярдів років тому. Їх просто більше немає», — каже астроном Тімоті Бірс з Університету Нотр-Дам, який не брав участі в дослідженні. «Якщо це чистий [нащадок], це накладає дуже сильні обмеження» на маси перших зірок.

Теоретики вважають, що зірки першого покоління, відомі як популяція III, складалися лише з інгредієнтів, які залишилися після Великого вибуху, в основному водню та гелію. Згоряючи, вони зливали ці інгредієнти у важчі елементи, які астрономи об’єднують разом як «метали». Коли зірки спалахнули як наднові після кількох мільйонів років існування, метали поширилися й змішалися з воднем і гелієм у наступних поколіннях зірок.

Вважається, що обмежені інгредієнти в популяції зірок III є причиною того, чому вони виросли настільки великими. Щоб газова хмара стиснулася в зірку, газ повинен охолонути. Метали ефективно перетворюють тепло в інфрачервоне світло, яке може вийти з хмари. Без них зірки населення III просто росли і росли, поки нарешті гравітація не перемогла гарячий газ і запалила термоядерний опік в ядрі.

Думки щодо того, наскільки масивними вони були, розходяться: прогнози моделей варіювалися від кількох десятків мас Сонця до 1000 разів його маси. Визначити розмір важливо, тому що приблизно в той час щось гаряче та яскраве іонізувало майже весь нейтральний газ, який пронизував Всесвіт. Гігантська популяція зірок III може бути ймовірною причиною, менші – меншою мірою.

Хоча спостерігачі ніколи не можуть безпосередньо виміряти розмір зірки населення III, вони можуть виявити сліди, що залишаються, коли зірки гинуть у рідкісній формі вибуху, який називається надновою «парною нестабільністю», яка виникає, якщо зірки мають масу від 140 до У 260 разів більше, ніж Сонце. У такій зірці перегріте ядро ​​випускає гамма-промені, які чинять зовнішній тиск і підтримують зовнішні шари зірки. Проте, якщо енергія гамма-променів стає занадто високою, промені можуть перетворитися на пари електронів і позитронів і перестати чинити тиск. Без цього тиску зовнішні шари руйнуються, викликаючи реакцію термоядерного синтезу, яка розносить зірку на частини. Моделі припускають, що наднові з парною нестабільністю створюють особливу структуру надлишку металу, який потім може бути використано наступним поколінням зірок.

Ця закономірність буде проявлятися в елементному складі зірки-нащадка, як відбиток пальця, який астрономи можуть прочитати в спектрі світла зірки. Кілька десятиліть вони шукали ці сигнатури у великих дослідженнях, які регулярно записують спектри мільйонів об’єктів на небі. Але пошуки ознак парної нестабільності наднової принесли розчарування. В одній із таких спроб команда під керівництвом Університету Флоренції оголосила на початку цього року, що знайшла 166 кандидатів-нащадків популяції III після аналізу спектрів 1,4 мільйона зірок Чумацького Шляху. Але жоден не потрапив у розріз, коли був взятий більш детальний спектр. «Я почала сумніватися, чи взагалі ці зірки існують», — каже астроном Флорентійського університету Іоанна Куцуріду.

Однак у червні дослідники з іншої команди показали, що вони зірвали джекпот, використовуючи китайський багатооб’єктний оптоволоконний спектроскопічний телескоп Large Sky Area (LAMOST). Вони знайшли зірку, відому як J1010+2358, у розрідженому ореолі зірок, що оточує Чумацький Шлях, у якому було вражаюче мало металів. А для окремих металів, які команда змогла виявити, зірка також демонструвала різко різну кількість елементів з непарними та парними атомними номерами — яскрава ознака наднової з парною нестабільністю. «Це ідеально підійшло», — каже Куцуріду.

Минулого тижня вона та її колеги зробили крок далі в аналізі команди LAMOST у препринті, опублікованому на arXiv. Вони порівняли вміст металу в J1010+2358 з різними моделями зірок населення III та їх наднових. Вони прийшли до висновку, що це, ймовірно, нащадок зірки з вагою від 250 до 260 мас Сонця, що свідчить на користь зірок середньої ваги населення III класу. Але поки що не ясно, чи був попередник типовим, чи виключним. Куцуріду та її команда сподіваються виправити це, використовуючи інші телескопи для кількісного визначення металів, відсутніх у дослідженні LAMOST.

J1010+2358 – це лише один приклад. Щоб справді визначити природу зірок населення III, астрономам потрібно буде знайти більше таких нащадків, каже Бірс. «Вони — найвидатніші зірки», — каже він, але спостерігати за ними «завжди було складно».