Разогнавшие тьму: о чем могут рассказать остатки первых звезд во Вселенной

Астрономы впервые обнаружили газовые облака, оставшиеся после взрывов первых звезд в истории космоса. Эти светила взорвались более 13 млрд лет назад, когда возраст Вселенной составлял считанные проценты от нынешнего.

Минуты рассвета

Большой взрыв произошел около 13,7 млрд лет назад. Уже в первые минуты после него образовались атомные ядра. Почти все они приходились на водород и гелий с ничтожной примесью лития, бериллия и бора. Других химических элементов еще не существовало.

Частицы притягивались друг к другу, и постепенно вещество собиралось в облака — предшественники галактик. Внутри этих облаков гравитация продолжала собирать вещество в более плотные комки. Некоторые из них сжались настолько, что в их недрах начались термоядерные реакции, превращающие водород в гелий, а гелий — в более тяжелые элементы. Это и были первые звезды. Они вспыхнули в первый миллиард лет существования Вселенной, но когда именно — дискуссионный вопрос. По некоторым расчетам, уже спустя 250–350 млн лет после Большого взрыва. Эту эпоху поэтично называют космическим рассветом.

Любая звезда рано или поздно догорает. Часть ее вещества консервируется в плотном звездном остатке. В зависимости от массы исходного светила это может быть белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Остальное вещество разбрасывается по космосу и служит материалом для формирования новых звезд.

Сколько циклов этого круговорота успело миновать к сегодняшнему дню? Не так уж много. Считается, что подавляющее большинство ныне живущих звезд, включая Солнце, принадлежит к третьему поколению. Несколько очень древних светил, похоже, относятся ко второму. Во всяком случае, об этом говорит их химический состав. Звезды второго поколения должны быть очень бедны любыми элементами тяжелее гелия. Ведь материал, из которого они образовались, прошел термоядерную топку лишь один раз — в составе звезд первого поколения. Этим они отличаются от Солнца и прочих светил, вещество которых проходило переработку уже дважды.

Ну а звезды первого поколения должны были состоять сплошь из водорода и гелия. К сожалению, нет никакой надежды, что какой-нибудь из этих патриархов дожил до наших дней.

Стать звездой

Не всякий комок вещества, слепленный гравитацией, может засветиться. Чтобы начались термоядерные реакции, нужно, чтобы температура и давление внутри стали очень высоки. Например, температура в центре Солнца — 15 млн°C.

Чем больше будущая звезда сжимается под действием собственного тяготения, тем сильнее растут температура и давление в ее центре. Но это давление может уравновесить сжимающую силу гравитации и остановить сжатие до того, как начнутся термоядерные реакции. Именно поэтому не превращается в звезду Юпитер или другие водородно-гелиевые планеты.

Чтобы сжатие продолжалось, гравитация — а значит, масса — должна быть достаточно большой. Самые легкие из известных звезд имеют массу примерно в 10% солнечной. Вообще, большинство современных звезд уступают по массе нашему светилу, хоть оно и далеко не рекордсмен. 

Но во времена космического рассвета даже Солнце не имело бы никаких шансов стать звездой. Сжатие протозвезд солнечной и досолнечной массы останавливалось много раньше, чем условия в их недрах достигали «термоядерного порога». Дело в том, что первичное вещество состояло только из водорода и гелия. В нем не было даже малейшей примеси космической пыли. А именно эта пыль облегчает сжатие благодаря тонкому физическому эффекту, в который мы не будем вдаваться.

Эфемерные гиганты

Итак, в первом поколении образовывались протозвезды всевозможных масс, но звездами становились лишь самые массивные из них. Минимальная масса звезды исчислялась десятками солнечных — такие тяжеловесы сейчас редкость. А максимальная, по некоторым оценкам, доходила и до тысячи солнц. Сегодня подобная звезда даже не может образоваться: термоядерные реакции начнутся гораздо раньше.

Получается, что звезды первого поколения были очень экзотическими, и астрономы многое отдали бы, чтобы на них посмотреть. Но тут-то и кроется проблема. Чем массивнее звезда, тем интенсивнее идут термоядерные реакции и тем быстрее она сгорает, даже несмотря на большой запас топлива. Звезда массой 10% солнечной, по теоретическим расчетам, будет светить триллионы лет. Солнцу хватит «горючего» на 10 млрд лет (половина этого срока уже вышла). А вот первозданные колоссы должны были прогореть за какие-то миллионы лет, после чего взорваться как сверхновые.

Вглядываясь в прошлое

Даже свету требуется немалое время, чтобы преодолеть межгалактические дистанции. Галактику в миллиарде световых лет от нас мы видим такой, какой она была миллиард лет назад, в момент испускания света. Вглядываясь в глубины Вселенной, мы смотрим в прошлое.

Трудность в том, что первые звезды погасли очень уж давно: более 13 млрд лет назад. Лишь недавно с помощью новейшего орбитального телескопа «Джеймс Уэбб» астрономы разглядели галактики, лучи которых были испущены в эпоху космического рассвета. И разобраться в природе этих лучей не так просто. Это может быть и звездный свет, и излучение квазара (сверхмассивной черной дыры, окруженной облаком падающего на нее вещества). Такая далекая галактика — это крошечное туманное пятнышко, в котором не различить никаких деталей. Быть может, когда-нибудь астрономы и смогут расчленить ее на отдельные звезды, но, пожалуй, не в этом столетии.

Поиск с фонарем

Авторы нового исследования применили иной подход. Они искали не звезды первого поколения, а остатки их взрыва. Далеко не все «ошметки» звезд становятся новыми светилами. Часто плотность вещества оказывается слишком низкой, чтобы гравитация собрала его в протозвезду. В таком случае газовое облако может без особых изменений просуществовать миллиарды лет. Нет надобности вглядываться так далеко во Вселенную, чтобы застать первые звезды живыми. Можно взглянуть поближе и увидеть то, что от них осталось.

Правда, газовые облака не светятся. Но, оказываясь на пути лучей света, они поглощают его на определенных частотах. Увидев провалы на этих частотах, можно не только засечь газовое облако, но и определить его химический состав.

В качестве «просвечивающих фонарей» астрономы использовали квазары — самые мощные источники излучения во Вселенной. Изучив их свет с помощью самого большого в мире телескопа VLT, астрономы обнаружили 54 газовых облака. Лучи квазаров пронзили их, когда возраст Вселенной составлял всего 1,5–2 млрд лет.

Авторы отобрали самые бедные тяжелыми элементами облака и приступили к тщательному анализу. Они сравнивали содержание углерода, кислорода, магния, кремния, алюминия и железа. В конце концов исследователи выделили три облака, состав которых в точности соответствует ожидаемому для остатков первых звезд. Пропорции химических элементов свидетельствуют, что это вещество подверглось термоядерной переработке ровно один раз, не больше и не меньше.

Теперь астрономам предстоит тщательно изучить эти объекты. В этом помогут телескопы следующего поколения, например, ELT, который должен вступить в строй в 2027 году. И тогда мы многое узнаем  о том, какие звезды первыми разогнали космическую тьму.