Ученые нашли способ увидеть первые звезды нашей Вселенной

Почему мы наконец-то можем увидеть первые звезды во Вселенной.
Первое после Большого взрыва поколение звезд определило ход истории нашей Вселенной. И теперь, благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба, у нас есть реальный шанс увидеть их. Об этом пишет астрофизик и писатель Стюарт Кларк. Его последняя книга – “Под покровом ночи“.

Астрофизики нашли несколько способов увидеть звезды популяции III. Более того, есть все основания полагать, что некоторые из таких звезд могут скрываться совсем рядом с нами. (akinbostancis / Getty Images)

Если говорить о поворотных моментах в космической истории, то рождение первых звезд трудно переоценить. После того как они вспыхнули примерно через 200-400 миллионов лет после Большого взрыва, исходящая из них энергия разорвала атомы газа, охлаждавшего Вселенную, и вновь нагрела их в процессе, называемом реионизацией. По мере своего угасания и последующей гибели они образовали «коктейль» из химических элементов, который запустил во Вселенной процесс формирования галактик, планетарных систем и, в конечном счете, самой жизни.

Неудивительно, что астрономам не терпелось взглянуть на это первое звездное поколение. Начнем с того, что они были невероятно величественны, пишет Кларк. Огромные и чрезвычайно яркие, они, как считается, были в 300 раз массивнее нашего Солнца и в 10 раз горячее. Наблюдая за ними, можно многое узнать о загадочной ранней стадии эволюции нашей Вселенной, и не в последнюю очередь о том, как она наполнилась сверхмассивными черными дырами за, казалось бы, невероятно короткое время.

Возможно, мы уже стоим на пороге величайшего открытия. Ранее в этом году астрономы сообщили, что космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), нацелив свои инструменты на внешние границы очень далекой галактики, предположительно уже увидел свидетельства появления первых звезд. «Наблюдения, которые мы проводим сейчас, действительно расширяют наше знание, - говорит Ханна Юблер из Кембриджского университета.

Не исключено, что это будет ложная тревога. Но сейчас интересно то, что и другие ученые находят различные сигнатуры раннего света Вселенной. Есть даже гипотеза, что первые звезды могут скрываться гораздо ближе к нашей планете, чем мы думали раньше.

Чтобы проникнуться очарованием первых звезд и понять, как мы можем их идентифицировать, пишет Кларк, следует помнить, что звезды как таковые неразрывно связаны с химическим составом Вселенной. В момент Большого взрыва образовались только два самых легких элемента - водород и гелий (плюс следы лития и бериллия). Все более тяжелые элементы - кислород, которым мы дышим, железо, которое мы добываем, серебро, которое мы покупаем, - были сформированы в сердцах звезд, где ядерный синтез "склеил" вместе субатомные частицы, образовав более крупные атомы. По мере гибели и разрушения звезд эти элементы разлетались по всей Вселенной, а затем объединялись в новые звезды, которые производили все более и более тяжелые элементы. Так что выражение «мы сделаны из звездной пыли» - в данном контексте соответствует действительности.

В Млечном Пути обнаружен "зародыш" сверхмассивной черной дыры — он в 8200 раз тяжелее Солнца

Первые звезды

Астрономы делят обнаруженные нами звезды на два типа. Звезды I популяции, такие как наше Солнце. Они самые молодые и содержат наибольшее количество тяжелых элементов. Звезды II популяции (Второе поколение звёзд) "немного" старше и содержат меньше тяжелых элементов. Но вполне логично, что должен существовать и третий тип: самые старые звезды, состоящие исключительно из водорода и гелия. Астрофизики называют их «звездами населения III».

Сегодня, если масса звезды превышает, допустим, 100 солнечных масс, она выделяет столько внутренней энергии, что давление «вздымает» ее внешние слои и выбрасывает в космос. Эти процессы накладывают верхний предел на массу, которую может достичь "современная" звезда. Со звездами популяции III дело обстоит несколько иначе.

Из-за отсутствия более тяжелых элементов внешнее давление не так интенсивно. «Если звезда популяции III сформировалась массивной, она таковой и останется», - считает Саймон Гловер из Гейдельбергского университета в Германии. Исходя из этих допущений, астрофизики долгое время считали, что большинство первых звезд должны были быть исполинами, как минимум в сотни раз массивнее нашего Солнца.

Отсутствие тяжелых элементов также означает, что первые звезды должны были быть более плотными и горячими, чтобы генерировать энергию, необходимую для сохранения стабильности и предотвращения коллапса. Но чем горячее и крупнее звезда, тем короче ее жизнь. Поэтому астрономы предположили, что первые звезды "жили быстро и умерли молодыми" - возможно, всего за 5 миллионов лет. Если это так, то все первые звезды должны быть давным-давно мертвы. Тем не менее, в астрономии наблюдение за очень далекими объектами эквивалентно заглядыванию в прошлое, поскольку свету требуется очень много времени, чтобы добраться до нас. И хотя встретиться с одной из первых звезд чертовски сложно, вероятность такая не исключена.

Одна из причин, по которой ученые так пытаются это сделать, связана с загадкой сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца. Нам известно, что в центре практически каждой галактики находится одно такое «чудовищ». Но как они туда попали? Когда первые звезды взорвались и умерли, их внешние оболочки разлетелись по космосу, а оставшиеся уплотненные ядра схлопнулась в черные дыры, каждая из которых весила от 10 до 100 солнечных масс. Предположительно, со временем они сталкивались друг с другом и «питались» пролетающими мимо звездами и газовыми облаками, постепенно разрастаясь до сверхмассивных черных дыр, которые мы наблюдаем сегодня.

Если бы современные звезды, такие как наше Солнце, были слишком большими, их атмосфера начала бы разрушаться. Дж. Маршалл - Tribaleye Images/Alamy

Но есть одна проблема. Чем глубже ученые погружались в космическую историю, тем больше их удивляло количество почти полностью сформированных галактик и сверхмассивных черных дыр, которых не должно было существовать, поскольку для их формирования просто не хватило бы времени. "Это одна из самых главных загадок на данный момент: как могли образоваться сверхмассивные черные дыры на ранних этапах зарождения нашей Вселенной?" - говорит Гловер.

Происхождение черных дыр

Он уверен, что это может рассказать нам что-то новое и необычное о первых звездах, да и не только он. Несколько независимых исследователей пересмотрели свои компьютерные модели и пришли к неожиданному выводу: возможно, по мере реионизации температура газа во Вселенной повышалась, и более горячие облака распались на одиночные звезды с чрезвычайно высокими массами. Речь идет не о сотнях солнечных масс, а о нескольких десятках тысяч солнечных масс. "Подобные объекты могли бы стать прародителями первых чрезвычайно огромных черных дыр", - говорит Гловер. "А все потому, что в них накопилось бы столько массы, что после недолгого пребывания в качестве гиперсветящейся звезды они бы сразу коллапсировали в черную дыру. Но чтобы доказать эту гипотезу, нам нужно найти эти звезды и посмотреть, как они выглядели на самом деле".

В принципе, такой способ существует. Он включает в себя метод, называемый спектроскопией, то есть измерение интенсивности диапазона длин волн света. Различные элементы поглощают определенные длины волн, поэтому спектроскопия дает "отпечаток пальца" звезды, точно указывая, какие элементы в ней содержатся и в каком количестве. С 1950-х годов ученые проводят спектроскопические исследования неба в поисках звезд с ничтожно малым содержанием тяжелых элементов. Они уже нашли несколько очень старых звезд, но ни одна из них не попала в число достоверных представителей третьей популяции.

К сожалению, пишет Кларк, даже James Webb Space Telescope, специально разработанный для изучения как можно более далекой Вселенной, не способен напрямую увидеть звезды III популяции. Но есть и хорошая новость: возможно, он сможет обнаружить их по различным признакам.

Интенсивное излучение этих звезд способно осветить окружающие газовые облака и лишить атомы гелия всех электронов, в результате чего "на свет появятся" ионы гелия II. Некоторые из этих электронов затем рекомбинируют со своими родительскими атомами, образуя свечение. Поскольку светящиеся газовые облака по сравнению со звездами очень велики, их гораздо легче заметить. И именно эти облака, как считают Юблер и ее коллеги, им удалось обнаружить.

В сотрудничестве с Роберто Майолино из Кембриджского университета и другими учеными Юблер использовала инструмент JWST "Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона" для изучения далекой галактики, впервые обнаруженной в 2016 году. На тот момент галактика GN-z11 была самой древней из когда-либо наблюдаемых - ее возраст составлял 13,4 миллиарда лет. Поэтому она считалась главным кандидатом на то, чтобы иметь звезды популяции III, расположенные в ее гало - внешней части галактики, где скапливается первородный газ.

Ученые нашли недостающие "запчасти" Вселенной — Пропажу объяснили "утечкой" галактического газа

Когда исследователи получили данные по GN-z11, они обнаружили некоторые косвенные признаки наличия гелия II на достаточно близком расстоянии от гало галактики. Позже им удалось более тщательно изучить окрестности GN-z11. Их результаты, опубликованные в этом году, показали присутствие более распространенных признаков гелия II. Вполне возможно, пишет Кларк, что это следы звезд III популяции.

Все может быть. Но то, что звезда III популяции может подавать такой сигнал, не означает, что мы наблюдаем именно ее. Могут быть и другие объяснения. "Есть относительно близкая галактика I Zwicky-18. В ней очень много ионизированного гелия, но мы не думаем, что он исходит от звезд популяции III, - говорит Гловер. Скорее всего, ионизирующее излучение является результатом выброса газа из звезды либо на невероятно плотную нейтронную звезду, либо черную дыру". Другими словами, чтобы убедиться в том, что светящийся газ порожден звездой популяции III, необходимо исключить другие версии.

Майолино это прекрасно понимает. "Вот почему мы пока утверждаем, что это предварительный результат", - говорит он. Чтобы попытаться окончательно установить источник ионизирующего излучения, он и его коллеги получили еще 40 часов работы на JWST, которые будут посвящены исключительно этому объекту. Наблюдения запланированы на май 2025 года. Цель исследования - обнаружить даже "самые незначительные" следы более тяжелых элементов. "Если они будут найдены, значит дело не в звезде популяции III. Если же нет — это может стать верной гипотезой. Мы постараемя максимально задействовать возможности "Уэбба", - говорит Майолино.

События приливного разрушения

Но метод Юблера и Майолино - не единственный инструмент в распоряжении ученых. Рудрани Кар Чоудхури из Университета Гонконга и ее коллеги недавно предложили искать чрезвычайно яркие вспышки, испускаемые звездами популяции III, когда их разрывают на части черные дыры - процесс, известный как событие приливного разрушения или TDE. «JWST обнаружил сверхмассивные черные дыры [в очень далекой Вселенной], а также огромные галактики. Это заставило нас задуматься о том, что звезда [популяции III] может быть поглощена СМЧД», - говорит Чоудхури.

На этом изображении из симулятора эволюции галактик (Galaxy Evolution Simulator) видны потоки газа, питающие формирующуюся галактику. Ученые считают, что недавно обнаруженные облака газа могут быть частью "холодного газового потока", похожего на эти струи.  Image from simulation by Ceverino, Dekel, and Primack.

Когда звезда разрывается на части черной дырой, она может выбросить больше вещества, чем черная дыра способна поглотить. В результате возникает невероятно турбулентная среда, в которой газ звезды нагревается и светится. Когда это происходит со звездой I или II популяции, излучение взаимодействует с более тяжелыми элементами и вызывает звездный ветер, который охлаждает оставшийся газ, позволяя ему оседать в черной дыре. Но теоретически отсутствие тяжелых элементов в звездах популяции III должно препятствовать этим охлаждающим потокам, и поэтому газ дольше остается горячим и светящимся.

Это означает, что яркость и продолжительность вспышки TDE, известная как кривая блеска, может быть связана с массой, плотностью и содержанием тяжелых элементов в коллапсирующие звезды. «Итак, если мы сможем обнаружить несколько кривых блеска от такого рода массивных звездных TDE, то мы сможем определить свойства звезд популяции III», - говорит Чоудхури.

Но увидеть эти события не так-то просто. Хотя они находятся в пределах обнаружения JWST - и планируемого к запуску космического телескопа NASA "Нэнси Грейс Роман" (RST) - команда считает, что подобные явления будут крайне редкими и принципиально непредсказуемыми.  И все же у RST есть определенное преимущество, поскольку он предназначен для исследования более обширной области неба. «По сравнению с JWST, у „Романа“ обзор неба в 100 раз большее, так что шансы на обнаружение будут выше», - говорит коллега Чоудхури Джанет Чанг, также сотрудник Гонконгского университета.

Третья гипотеза – “Звезды населения III живы до сих пор”

Впрочем, в этой истории есть и еще один сюжетный поворот. В то время как большинство астрономов в поисках звезд популяции III продолжают ориентироваться на очень далекую Вселенную, другие начинают подозревать, что они могут до сих пор существовать на нашем заднем космическом дворе.

Первые модели звезд населения III - тех, что начали процесс реионизации и разогрева газов во Вселенной, - указывали на то, что все звезды должны иметь массу в сотни солнечных масс. Однако за последнее десятилетие развитие вычислительной техники позволило астрономам провести более сложные симуляции. Они показали, что первые модели не учитывали влияние вращения на коллапсирующее газовое облако, ставшее звездой, особенно когда речь шла о чуть более холодных газовых скоплениях.

"Когда относительно холодное газовое облако разрушается, оно естественным образом сплющивается в диск - вспомните, как пиццайоло раскручивает тесто. Это означает, что далеко не вся первоначальная масса облака попадает в главную звезду. Напротив, она попадает в окружающий диск, где распадается на более мелкие звезды популяции III. Мы больше не считаем, что в результате такого процесса образуется только одна массивная звезда. На самом деле, скорее всего, вы получите широкий диапазон звездных масс с доминированием массивных звезд", - говорит Гловер.

Некоторые из этих звезд могли быть совсем крошечными, возможно, даже вдвое меньше нашего Солнца. Как мы уже знаем, масса звезды обратно пропорциональна продолжительности ее жизни, поэтому можно ожидать, что эти "крошечные" космические шары будут расходовать свои запасы ядерного топлива в течение десятков миллиардов или даже триллионов лет. "Если звезды населения III образуются с массами менее 0,8 или даже 0,7 солнечных масс, то они могут прожить дольше, чем живет Вселенная. А значит, все эти звезды должны существовать до сих пор", - говорит Ральф Клессен из Гейдельбергского университета.

Есть все основания полагать, что некоторые из этих звезд могут скрываться совсем рядом. В 2018 году ученые в ходе спектроскопических исследований неба обнаружили самую "чистую" звезду. Звезда, получившая название SMSS J1605-1443, содержит всего одну миллионную долю железа, присутствующего в Солнце, и находится в гало Млечного Пути. Она не может быть звездой популяции III - скорее всего, это ее прямой потомок, - потому что в ней по-прежнему содержится немного железа и, как ни странно, относительно много углерода. Ученые не до конца понимают необычный состав этой звезды. Но это признак того, что очень старые звезды могут выглядеть не совсем так, как мы предполагаем, - и они могут находиться совсем рядом.

В галактике GN-z11 (в квадрате) астрономы, предположительно, обнаружили признаки первобытных звезд популяции III. NASA, ESA, П. Оеш (YU), Г. Браммер (STScI), П. ван Доккум (YU) и Г. Иллингворт (UC Santa Cruz)

Кроме того, недавнее исследование звездного каталога, составленного миссией Gaia Европейского космического агентства, обнаружило 200 000 звезд Млечного Пути, которые, судя по всему, "страдают" от нехватки тяжелых элементов. Таким образом, у нас появилось множество новых целей. Как бы то ни было, резюмирует Кларк возможно мы увидим первые огни нашей Вселенной гораздо раньше и гораздо ближе, чем можно себе представить.