|
Обнаружены первые звезды Вселенной
|
|
|
|
Понимание ранней Вселенной является основополагающей целью космической науки. Мы стремимся понять природу и то, как она эволюционировала от сверхнагретой плазмы после Большого взрыва до структурированного космоса, который мы видим вокруг себя сегодня. Одним из критических моментов во времени было то, что первые звезды, называемые звездами третьей популяции, загорелись в результате термоядерного синтеза и осветили свое окружение.
|
|
|
|
Какие события предшествовали появлению самой первой популяции 3 звезд? Как они образовались и какого типа были звезды? Существуют препятствия для понимания или наблюдения ранней Вселенной, хотя JWST проделал замечательную работу по преодолению некоторых из этих препятствий, наблюдая свет от первых галактик.
|
|
|
|
Но наблюдать за галактиками - это одно. Наблюдать за формированием отдельных звезд более 13 миллиардов лет назад функционально невозможно. К счастью, моделирование на суперкомпьютере может приблизить нас к этому.
|
|
|
|
В новом исследовании использовался передовой код моделирования GIZMO и данные проекта Illustrist, чтобы воспроизвести условия, при которых во Вселенной образовались первые звезды.
|
|
|
|
Исследование называется "Формирование сверхзвуковой турбулентности в первичном звездообразующем облаке" и опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters. Ведущий автор - Ке-Чжун Чен из Института астрономии и астрофизики Академии Синика на Тайване.
|
|
|
|
|
|
|
Период до того, как первые звезды осветили свое окружение, называется Темными веками. В это время Вселенная достаточно остыла, чтобы стать прозрачной и позволить свету распространяться. Но звезд все еще не было, а значит, и источников света. Темные века начались примерно через 370 000 лет после Большого взрыва и закончились, когда несколько сотен миллионов лет спустя образовались звезды ТРЕТЬЕЙ популяции.
|
|
|
|
У ученых есть вопросы о Темных веках, на которые нет ответов. Одна из самых больших загадок связана с темной материей. Как первые мини-ореолы темной материи коллапсировали и образовали каркас, на котором сформировались первые звезды? Какими были условия внутри первичных газовых облаков, которые привели к образованию звезд? Исследователи использовали моделирование, чтобы попытаться ответить на эти вопросы.
|
|
|
|
"Мы представляем новое моделирование формирования и эволюции первого звездообразующего облака в пределах массивного мини-гало массой 1,05*10^7 масс Солнца, выполненное с использованием кода GIZMO с подробным моделированием охлаждения первичного газа и химического состава", - пишут исследователи.
|
|
|
|
"В отличие от предыдущих исследований, в которых моделировалось образование первых звезд в космологической ячейке меньшего размера, равной 0,3–2 Мпк, в нашей работе используются начальные условия крупномасштабного космологического моделирования, охватывающего 50 Мпк, для изучения формирования первичных облаков, которые приводят к появлению первых звезд".
|
|
|
|
Illustrist - это хорошо известная и часто используемая программа для моделирования Вселенной. Исследователи смогли повысить разрешающую способность Illustrist с помощью метода, называемого расщеплением частиц. Это позволило им отслеживать движение газа в облаке в беспрецедентных масштабах, вплоть до долей парсека.
|
|
|
|
"Мы увеличили исходное разрешение изображения в 105 раз, используя метод расщепления частиц, достигнув чрезвычайно высокого разрешения, которое позволяет нам устранить турбулентность, вызванную гравитационным коллапсом на ранних стадиях формирования структуры", - объясняют авторы.
|
|
|
|
Моделирование начинается с мини-гало из темной материи и показывает, как газ попадает в гравитационный колодец мини-гало. Газ втекает с высокой скоростью и скапливается вблизи точек сближения, связанных с небольшими структурами темной материи. В конечном итоге образуется плотное облако с тонкими газовыми структурами внутри. При падении газ двигался со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука, создавая сверхзвуковую турбулентность. Газ устремляется к центру и начинает вращаться.
|
|
|
|
Высокоскоростная турбулентность разделила облако на несколько плотных сгустков первичного газа. Вместо того, чтобы нарушить процесс звездообразования, турбулентность, по-видимому, способствует ему. Один из сгустков готов образовать звезду массой 8 солнечных масс.
|
|
|
|
"Эта эволюция демонстрирует, что газовая аккреция является в высшей степени анизотропной и неоднородной, что приводит к образованию комковатых структур, которые, вероятно, формируются приливными силами из формирующегося гало темной материи", - объясняют авторы.
|
|
|
|
"Это первый раз, когда мы смогли полностью проследить развитие турбулентности на самых ранних этапах формирования первых звезд", - сказал ведущий автор исследования Чен в пресс-релизе. "Это показывает, что бурные, хаотичные движения не только присутствовали, но и сыграли решающую роль в формировании первых звезд".
|
|
|
|
Астрономы задавались вопросом о первых звездах ТРЕТЬЕЙ популяции во Вселенной. Некоторые исследования показывают, что они образовались как одиночные массивные звезды в ходе плавного процесса. Однако результаты моделирования показывают, что облака были разделены на скопления, и что звезды третьей популяции были более многочисленными и менее массивными, чем считалось.
|
|
|
|
Эти результаты могут объяснить то, что озадачивало ученых. Если бы звезды Pop III были такими массивными, как считалось, многие из них должны были взорваться как сверхновые, оставив химические отпечатки металличности в следующем поколении звезд, старейших звездах, которые мы можем наблюдать.
|
|
|
|
Но хотя исследователи и находили намеки на повышенную металличность, они так и не нашли убедительных доказательств. Если результаты моделирования верны, мы не видим этих химических отпечатков, потому что первые звезды были не такими массивными, как считалось, и лишь изредка взрывались как сверхновые.
|
|
|
|
"Наши результаты показывают, что раннее структурообразование может естественным образом генерировать сверхзвуковую турбулентность, которая играет решающую роль в формировании первичных газовых облаков и регулировании массы звезд Pop III", - пишут авторы в своем заключении.
|
|
|
|
Эти симуляции с высоким разрешением открывают новое окно в историю ранней Вселенной. Если звезды Pop III были не такими массивными, как считалось, это меняет наше понимание хода событий. Теоретические модели показывают, что массы звезд Pop III составляют от 80 до 260 масс Солнца и что они могли бы погибнуть в результате парной нестабильности сверхновых.
|
|
|
|
Но эти типы звезд оставляют уникальные следы, которые ранее не наблюдались. Эти расчеты показывают, что причина, по которой эти сигнатуры не существуют, заключается в том, что наши теории неверны и нуждаются в обновлении.
|
|
|
|
"Это моделирование представляет собой шаг вперед в установлении связи между формированием крупномасштабных космических структур и микроскопическими процессами, которые управляют рождением звезд", - сказал Чен.
|
|
|
|
"Раскрывая роль турбулентности, мы на шаг приближаемся к пониманию того, как начался космический рассвет".
|
|
|
|
Источник
|
