Масса первых звезд в космосе могла превышать массу Солнца более чем в 10 000 раз, что примерно в 1 000 раз больше, чем у самых больших звезд, существующих сегодня, говорится в новом исследовании.
В наши дни самые большие звезды имеют массу 100 солнечных масс. Но ранняя Вселенная была гораздо более экзотическим местом, наполненным звездами-гигантами, которые жили быстро и умерли очень-очень молодыми, обнаружили исследователи.
И как только эти обреченные гиганты вымерли, условия никогда не были подходящими для их повторного образования.
Космические темные века
Более 13 миллиардов лет назад, вскоре после Большого взрыва, во Вселенной не было звезд. Это был лишь теплый суп из нейтрального газа, почти полностью состоящий из водорода и гелия. Однако в течение сотен миллионов лет этот нейтральный газ начал скапливаться во все более плотные шары материи. Этот период известен как космические темные века.
В современной Вселенной плотные шары материи быстро разрушаются, образуя звезды. Но это происходит потому, что в современной Вселенной есть то, чего не хватало ранней Вселенной: много элементов тяжелее водорода и гелия. Эти элементы очень эффективно излучают энергию. Это позволяет плотным скоплениям очень быстро сжиматься, разрушаясь до достаточно высокой плотности, чтобы запустить ядерный синтез – процесс, который питает звезды, объединяя легкие элементы в более тяжелые.
Но единственный способ получить более тяжелые элементы - это тот же процесс ядерного синтеза. Несколько поколений звезд формировались, сливались и умирали, обогащая космос до его нынешнего состояния.
Не обладая способностью быстро выделять тепло, первое поколение звезд должно было формироваться в гораздо более сложных условиях.
Холодные фронты
Чтобы понять загадку этих первых звезд, группа астрофизиков обратилась к сложным компьютерным симуляциям темных веков, чтобы понять, что происходило в те времена. О своих выводах они сообщили в январе в статье, опубликованной в базе данных препринтов arXiv и представленной на рецензирование в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
В новой работе присутствуют все обычные космологические ингредиенты: темная материя, способствующая росту галактик, эволюция и сгущение нейтрального газа, а также излучение, которое может охлаждать и иногда подогревать газ. Но в их работе есть и то, чего не хватало другим: холодные фронты – быстро движущиеся потоки охлажденной материи – которые врезаются в уже сформированные структуры.
Исследователи обнаружили, что образованию первых звезд предшествовала сложная сеть взаимодействий. Нейтральный газ начал собираться и слипаться. Водород и гелий выделили немного тепла, что позволило сгусткам нейтрального газа медленно достичь более высокой плотности.
Но сгустки высокой плотности становятся очень теплыми, производя излучение, которое разрывает нейтральный газ и не дает ему разделиться на множество более мелких сгустков. Это означает, что звезды, образовавшиеся из таких скоплений, могут стать невероятно большими.
Сверхмассивные звезды
Взаимодействие между излучением и нейтральным газом привело к образованию массивных скоплений нейтрального газа – зарождению первых галактик. Газ в глубине этих протогалактик сформировал быстро вращающиеся аккреционные диски – быстротекущие кольца материи, которые образуются вокруг массивных объектов, включая черные дыры в современной Вселенной.
Тем временем на внешние края протогалактик обрушивались холодные фронты газа. Самые холодные и массивные фронты проникали в протогалактики вплоть до аккреционного диска.
Эти холодные фронты врезались в диски, быстро увеличивая их массу и плотность до критического порога, что позволило появиться первым звездам.
Те первые звезды не были обычными термоядерными фабриками. Это были гигантские сгустки нейтрального газа, зажигающие свои термоядерные ядра все сразу, минуя стадию, когда они распадаются на мелкие кусочки. В результате звездная масса была огромной.
Эти первые звезды были бы невероятно яркими и жили бы очень недолго, менее миллиона лет. (Звезды в современной Вселенной могут жить миллиарды лет). После этого они погибли бы в яростных вспышках взрывов сверхновых звезд.
Эти взрывы унесли бы с собой продукты реакций внутреннего синтеза – элементы тяжелее водорода и гелия – которые затем дали начало следующему витку звездообразования. Но теперь, загрязненный более тяжелыми элементами, процесс не мог повториться, и эти монстры никогда больше не появятся на космической сцене.
