|
Первые звезды были не такими как думали астрономы
|
|
|
|
На протяжении десятилетий астрономы задавались вопросом, какими были самые первые звезды во Вселенной. Эти звезды образовали новые химические элементы, которые обогатили Вселенную и позволили следующим поколениям звезд сформировать первые планеты.
|
|
|
|
Первые звезды изначально состояли из чистого водорода и гелия, и они были массивными — в сотни и тысячи раз больше массы Солнца и в миллионы раз ярче его. Их короткая жизнь закончилась мощными взрывами, называемыми сверхновыми, поэтому у них не было ни времени, ни сырья для образования планет, и они больше не должны были существовать для наблюдения астрономами.
|
|
|
|
По крайней мере, мы так думали.
|
|
|
|
Два исследования, опубликованные в первой половине 2025 года, предполагают, что коллапсирующие газовые облака в ранней Вселенной, возможно, также приводили к образованию звезд с меньшей массой. В одном из исследований используется новое астрофизическое компьютерное моделирование, которое моделирует турбулентность внутри облака, вызывающую фрагментацию на более мелкие скопления, образующие звезды. Другое исследование — независимый лабораторный эксперимент — демонстрирует, как молекулярный водород, молекула, необходимая для звездообразования, могла образоваться раньше и в больших количествах. В процессе используется катализатор, который может удивить учителей химии.
|
|
|
|
|
|
|
Как астроном, изучающий формирование звезд и планет и их зависимость от химических процессов, я взволнован возможностью того, что химия в первые 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, возможно, была более активной, чем мы ожидали.
|
|
|
|
Эти данные позволяют предположить, что звезды второго поколения — старейшие звезды, которые мы можем наблюдать в настоящее время, и, возможно, хозяева первых планет — могли сформироваться раньше, чем предполагали астрономы.
|
|
Первичное звездообразование
|
|
|
|
Звезды образуются, когда массивные облака водорода диаметром во много световых лет сжимаются под действием собственной гравитации. Коллапс продолжается до тех пор, пока светящаяся сфера не окружает плотное ядро, достаточно горячее, чтобы поддерживать ядерный синтез.
|
|
|
|
Ядерный синтез происходит, когда два или более атома получают достаточно энергии для слияния. В результате этого процесса образуется новый элемент и выделяется невероятное количество энергии, которая нагревает ядро звезды. В первых звездах атомы водорода соединялись вместе, образуя гелий.
|
|
|
|
Новая звезда сияет, потому что ее поверхность горячая, но энергия, питающая это свечение, поступает из ее ядра. Светимость звезды - это общий объем выделяемой ею энергии в виде света. Яркость звезды - это малая часть того свечения, которое мы непосредственно наблюдаем.
|
|
|
|
Этот процесс, при котором звезды образуют более тяжелые элементы путем ядерного синтеза, называется звездным нуклеосинтезом. Он продолжается в звездах и после их образования, поскольку их физические свойства медленно меняются. Более массивные звезды могут производить более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и азот, вплоть до железа, в ходе последовательности термоядерных реакций, которые заканчиваются взрывом сверхновой.
|
|
|
|
Сверхновые могут создавать еще более тяжелые элементы, завершая периодическую таблицу элементов. Звезды с меньшей массой, такие как Солнце, с их более холодными ядрами, могут поддерживать термоядерный синтез только до углерода. Когда в их ядрах заканчивается водород и гелий, ядерный синтез прекращается, и звезды медленно испаряются.
|
|
|
|
Звезды с большой массой имеют высокое давление и температуру в своих ядрах, поэтому они ярко горят и быстро расходуют свое газообразное топливо. Они существуют всего несколько миллионов лет, в то время как звезды с малой массой - те, что менее чем в два раза превышают массу Солнца, — эволюционируют гораздо медленнее, их продолжительность жизни составляет миллиарды или даже триллионы лет.
|
|
|
|
Если бы все самые ранние звезды были звездами с высокой массой, они бы уже давно взорвались. Но если в ранней Вселенной также образовались звезды с низкой массой, они все еще могут существовать, и мы можем наблюдать за ними.
|
|
|
|
Химический состав, который охлаждает облака
|
|
|
|
Первые газовые облака, в которых формировались звезды, называемые протозвездными, были теплыми - примерно комнатной температуры. Теплый газ обладает внутренним давлением, которое выталкивается наружу против направленной внутрь силы тяжести, пытаясь сжать облако. Воздушный шар остается надутым по тому же принципу. Если пламя, нагревающее воздух у основания шара, прекратится, воздух внутри остынет, и шар начнет разрушаться.
|
|
|
|
Только самые массивные протозвездные облака с наибольшей гравитацией могли преодолеть тепловое давление и в конечном итоге разрушиться. В этом сценарии все первые звезды были массивными.
|
|
|
|
Единственный способ образования звезд с меньшей массой, которые мы видим сегодня, - это охлаждение протозвездных облаков. Газ в космосе охлаждается за счет излучения, которое преобразует тепловую энергию в свет, который выводит энергию из облака. Атомы водорода и гелия не являются эффективными излучателями при температуре ниже нескольких тысяч градусов, но молекулярный водород, h2, отлично охлаждает газ при низких температурах.
|
|
|
|
При включении h2 излучает инфракрасный свет, который охлаждает газ и снижает внутреннее давление. Этот процесс повысил бы вероятность гравитационного коллапса в облаках с меньшей массой.
|
|
|
|
На протяжении десятилетий астрономы считали, что низкое содержание h2 на ранних этапах приводило к образованию более горячих облаков, внутреннее давление которых было слишком высоким, чтобы они могли легко образовывать звезды. Они пришли к выводу, что только облака с огромной массой и, следовательно, более высокой гравитацией могут разрушаться, оставляя более массивные звезды.
|
|
Гидрид гелия
|
|
|
|
В журнальной статье, опубликованной в июле 2025 года, физик Флориан Грусси и его коллеги из Института ядерной физики имени Макса Планка продемонстрировали, что первая молекула, образовавшаяся во Вселенной, гидрид гелия, HeH+, могла быть более распространенной в ранней Вселенной, чем считалось ранее. Они использовали компьютерную модель и провели лабораторный эксперимент, чтобы проверить этот результат.
|
|
|
|
Гидрид гелия? На уроках естествознания в старших классах вы, вероятно, знали, что гелий - это благородный газ, то есть он не вступает в реакцию с другими атомами, образуя молекулы или химические соединения. Как оказалось, так оно и есть — но только в чрезвычайно разреженных и темных условиях ранней Вселенной, до образования первых звезд.
|
|
|
|
HeH+ вступает в реакцию с дейтеридом водорода — HD, который представляет собой один обычный атом водорода, связанный с более тяжелым атомом дейтерия, — с образованием h2. В процессе HeH+ также действует как охлаждающая жидкость и выделяет тепло в виде света. Таким образом, высокое содержание обоих молекулярных хладагентов ранее, возможно, позволяло меньшим облакам быстрее охлаждаться и коллапсировать, образуя звезды с меньшей массой.
|
|
Поток газа также влияет на начальную массу звезд
|
|
|
|
В другом исследовании, опубликованном в июле 2025 года, астрофизик Ке-Юнг Чен (Ke-Jung Chen), возглавлявший исследовательскую группу в Институте астрономии и астрофизики Академии Синика (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics), использовал детальное компьютерное моделирование, которое моделировало, как мог течь газ в ранней Вселенной.
|
|
|
|
Модель команды продемонстрировала, что турбулентность, или неравномерное движение, в гигантских коллапсирующих газовых облаках может приводить к образованию фрагментов облаков меньшей массы, из которых конденсируются звезды меньшей массы.
|
|
|
|
В исследовании был сделан вывод, что турбулентность, возможно, позволила этим ранним газовым облакам сформировать звезды либо того же размера, либо в 40 раз более массивные, чем масса Солнца.
|
|
|
|
Оба новых исследования предсказывают, что в первую популяцию звезд могли входить звезды с низкой массой. Теперь задача астрономов-наблюдателей - найти их.
|
|
|
|
Это непростая задача. Звезды с низкой массой имеют низкую светимость, поэтому они чрезвычайно тусклые. В нескольких наблюдательных исследованиях недавно сообщалось о возможных обнаружениях, но ни одно из них пока не подтверждено с высокой степенью достоверности. Однако, если они существуют, рано или поздно мы их обнаружим.
|
|
|
|
Источник
|
