Перші зорі у Всесвіті могли бути значно меншими, ніж вважалося раніше, про що свідчать нові дослідження. Це, ймовірно, пояснює, чому досі так важко знайти неспростовні докази їхнього існування. Згідно з останніми науковими даними, зародження найпершого покоління зірок відбувалося у вкрай бурхливому та динамічному середовищі: у велетенській газовій хмарі, що вирувала з надзвуковою турбулентністю, швидкість якої у п’ять разів перевищувала швидкість звуку, виміряну в атмосфері Землі.
Моделювання, що лягло в основу нового дослідження, також показало, як гази групувалися в ущільнення, що нібито віщували майбутнє народження зірок. Ця первісна хмара розпадалася, створюючи фрагменти, з яких, здавалося, мали виникнути зоряні скупчення. Зрештою, одна газова хмара досягла умов, сприятливих для формування зірки, маса якої у вісім разів перевищувала масу нашого Сонця. Це значно менше, ніж 100-сонячних велетнів, яких дослідники раніше уявляли в ранньому Всесвіті.
Ці висновки натякають, що перші надгігантські зорі в історії могли зароджуватися у зоряних мережах, тобто в оточенні інших об’єктів, а не у величній ізоляції, як вважалося раніше.
«За наявності надзвукової турбулентності хмара фрагментується на численні менші згустки, що призводить до формування кількох менш масивних зірок», — повідомив електронною поштою LiveScience головний дослідник Ке-Джун Чен, науковий співробітник Інституту астрономії та астрофізики Academia Sinica на Тайвані.
Цей погляд на нашу ранню історію є визначальним для розуміння походження нашої Галактики, Чумацького Шляху, а також нашої Сонячної системи. «Ці перші зорі відіграли суттєву роль у формуванні найперших галактик, які з часом еволюціонували в такі системи, як наш Чумацький Шлях», — написав Чен. За його словами, з цією новою моделлю в руках свіжі спостереження можуть просунути дослідження далі, вивчаючи народження зірок та формування галактик як за допомогою комп’ютерних моделей, так і за допомогою потужного космічного телескопа НАСА імені Джеймса Вебба.
Симуляція Всесвіту
Дослідники отримали своє нове розуміння ранніх зірок за допомогою симуляційного коду Gizmo, який використовується для вивчення астрономічних явищ, від чорних дір до магнітних полів, а також проєкту IllustrisTNG, який раніше продемонстрував точне відтворення формування галактик. Їхня мета полягала у вивченні умов у нашому космосі через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, що стався приблизно 13,8 мільярда років тому.
З огляду на величезні масштаби Всесвіту, симуляція зосередилася на одній ділянці: щільній структурі, приблизно у 10 мільйонів разів більшій за масу нашого Сонця, що називається міні-гало темної матерії. Темна матерія становить більшу частину речовини нашого Всесвіту, але вона не взаємодіє зі світлом, і тому не може бути виявлена телескопами. Однак ми можемо зробити висновок про наявність темної матерії за її гравітаційним впливом на інші об’єкти.
Дослідники вивчали, як частинки газу рухалися у відносно невеликих областях простору всередині гало, кожна область мала приблизно три світлові роки в поперечнику. Симуляції показали, що міні-гало темної матерії притягує газ виключно за рахунок гравітації, і таким чином генерує як надзвукову турбулентність, так і згущення газових хмар. Таким чином, бурхливість була невід’ємною частиною створення ранніх зірок.
Це травматичне середовище створило ще один побічний ефект: гігантських ранніх зірок було менше, ніж ми раніше уявляли. Попередні дослідження припускали, що ми могли мати ранні зорі масою понад 100 сонячних мас кожна. Зрештою, ці старі зорі вибухнули б як наднові, залишаючи після себе сліди, які новіші зорі поглинали б під час свого зростання. Проте, новіші зорі не містять жодних хімічних ознак гігантських попередників — що свідчить про те, що перше покоління величезних зірок могло бути справді рідкісним.
Команда Чена ще не завершила роботу. Зараз вони використовують гало темної матерії, щоб з’ясувати, як надзвукова турбулентність працювала загалом у ранньому Всесвіті, особливо під час появи перших зірок в епоху понад 13 мільярдів років тому, що називається «космічним світанком». «Ця стаття є частиною спільної роботи, спрямованої на розуміння космічного світанку шляхом дослідження формування та еволюції перших зірок», — сказав Чен. Наступний набір симуляцій може також включати магнітні поля, додав він. Ми бачимо в сучасних галактиках, що надзвукова турбулентність посилює магнітні поля та впливає на формування зірок; цілком можливо, що магнетизм був не менш важливим для утворення зірок у ранньому Всесвіті.
Команда Чена опублікувала свої результати 30 липня в журналі Astrophysical Journal Letters.
Довідкова інформація
- Великий вибух: Подія, що, за сучасною космологічною моделлю, стала початком розширення Всесвіту, що призвело до його нинішнього стану. Відбувся приблизно 13,8 мільярда років тому.
- Темна матерія: Гіпотетична форма матерії, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням (світлом), і тому не може бути безпосередньо спостережена. Її наявність виводиться з гравітаційних ефектів на видиму матерію, такі як аномалії в обертанні галактик. Вважається, що вона становить близько 27% маси-енергії Всесвіту.
- Міні-гало темної матерії: Порівняно невеликі скупчення темної матерії, які, згідно з теорією, були одними з перших структур, що утворилися в ранньому Всесвіті і в яких могли зароджуватися перші зорі та галактики.
- Космічний світанок (Cosmic Dawn): Епоха в ранньому Всесвіті, що настала після «темних віків» (коли Всесвіт охолонув після Великого вибуху і ще не було зірок) і характеризується утворенням перших зірок і галактик.
- Наднова: Катастрофічний зоряний вибух, під час якого зірка світить так яскраво, як ціла галактика, і випромінює величезну кількість енергії. Наднові відіграють важливу роль у розсіюванні важких елементів, утворених у зорях, у міжзоряний простір.
- Чумацький Шлях: Наша рідна галактика, спіральна галактика з баром, що містить від 100 до 400 мільярдів зірок, включно з нашим Сонцем.
- Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST): Найбільший і найпотужніший космічний телескоп, запущений НАСА, Європейським космічним агентством (ESA) і Канадським космічним агентством (CSA). Призначений для вивчення космічного світанку, формування галактик, зірок і планет, а також для пошуку потенційно придатних для життя екзопланет. Його інфрачервоні можливості дозволяють бачити найвіддаленіші та найдавніші об’єкти у Всесвіті.
- Ке-Джун Чен (Ke-Jung Chen): Провідний науковий співробітник Інституту астрономії та астрофізики Academia Sinica (ASIAA) на Тайвані, спеціалізується на зоряній та галактичній астрофізиці.
- Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA): Один з провідних науково-дослідних інститутів на Тайвані, що проводить дослідження в галузі астрономії та астрофізики, включаючи вивчення космічного походження, формування зірок і планет, а також темної матерії та енергії.
