[Перевод] Мы не можем увидеть первые звёзды, но способны изучить их влияние на первые галактики
Звёзды населения III были первыми звёздами во Вселенной. Это были чрезвычайно массивные, светящиеся звёзды, многие из которых взорвались как сверхновые. Как они формировали ранние галактики?
Долгое время наши представления о первых галактиках Вселенной во многом опирались на теорию. Свет той эпохи дошёл до нас только через миллиарды лет, и по дороге он тускнел и растягивался до инфракрасного диапазона. Сведения о первых галактиках скрыты в этом беспорядочном свете. Теперь, когда у нас есть космический телескоп «Уэбб» и его возможности наблюдений в инфракрасном диапазоне, мы можем заглянуть в прошлое ещё дальше и с большей ясностью, чем когда-либо прежде.
«Уэбб» сделал снимки самых первых галактик, что привело к появлению множества новых открытий и сложных вопросов. Но он не может увидеть отдельные звёзды. Как астрономы могут определить их влияние на первые галактики Вселенной?
Звёзды — мощные, динамичные объекты, обладающие огромной силой. Они могут соединять атомы в совершенно новые элементы — этот процесс называется нуклеосинтезом. Сверхновые особенно эффективны в этом деле, поскольку их мощные взрывы высвобождают водоворот энергии и материи и распространяют его во Вселенную.
Сверхновые существуют с первых дней Вселенной. Первые звёзды во Вселенной называются звёздами населения III, и они были чрезвычайно массивными. Массивные звёзды взрываются как сверхновые, поэтому среди звёзд населения III должно было быть необычайно много сверхновых.
Новое исследование изучает, как все эти сверхновые должны были повлиять на галактики-хозяева. Работа «Как сверхновые популяции III определяли свойства первых галактик» была принята к публикации в Astrophysical Journal. Ведущий автор — Ке-Джун Чен (Ke-Jung Chen) из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica, Тайвань.
В центре внимания этой работы — звёздная металличность. Когда Вселенная зародилась, она состояла из первобытного водорода, гелия и лишь следовых количеств лития и бериллия. Если вы посмотрите на свою периодическую таблицу, то это первые четыре элемента. Элементы тяжелее водорода и гелия в астрономии называют «металлами», и металличность Вселенной со временем увеличивается благодаря звёздному нуклеосинтезу.
Но водород доминировал во Вселенной и тогда, и сейчас. И только после того, как образовались и взорвались первые звёзды, стали играть роль другие элементы.
«Рождение первоначальных звёзд населения III с красным смещением z ~ 20 ~ 25 ознаменовало конец космических тёмных веков и начало формирования первых галактик и сверхмассивных чёрных дыр, — пишут авторы новой работы. Но их роль как создателей астрономических металлов лежит в основе этого исследования».
Исследователи использовали компьютерное гидродинамическое моделирование, чтобы изучить, как звёзды населения III формировали ранние галактики. Они рассмотрели сверхновые с коллапсом ядра (CCSNe), сверхновые с парной нестабильностью (PISNe) и гиперновые (HNe).
Звёзды могут образовываться только из холодного плотного газа. Когда газ слишком горячий, он просто недостаточно плотный, чтобы сколлапсировать в протозвездные ядра. Исследователи обнаружили, что при взрыве сверхновых звёзд населения III они выделяют металлы и распространяют их в окружающем газе. Металлы быстро охлаждали звездообразующий газ, что приводило к ускоренному образованию новых звёзд. «Наши результаты свидетельствуют о том, что остатки сверхновых со сверхтяжёлой IMF (функцией начальной массы) звёзды населения III производят больше металлов, что приводит к более эффективному охлаждению газа и более раннему звёздообразованию в первых галактиках населения II».
Моделирование показало, что остатки сверхновых от населения III падают к центру гало из тёмной материи, в котором они находятся. «Эти остатки сверхновых населения III и первоначальный газ вытягиваются под действием гравитации гало к его центру, — объясняют авторы. Эти остатки сверхновых иногда сталкиваются и создают турбулентные потоки. Турбулентность смешивает газ и металлы из сверхновых и «создаёт нитевидные структуры, которые вскоре формируются в плотные сгустки из-за самогравитации и охлаждения металла в гало».
Это приводит к дальнейшему звёздообразованию, хотя на данный момент это всё ещё звёзды населения III. Они не обогащены более ранними сверхновыми населения III и все ещё состоят из первоначального газа. Некоторые из этих поздних звёзд населения III образуются до того, как первые достигают центра гало. Это создаёт сложную ситуацию.
Вторая серия звёзд населения III «даёт сильную радиационную и обратную связь до того, как первоначальные звёзды населения III и остатки сверхновых достигнут центра гало», — пишут авторы.
На этом рисунке из исследования показаны срезы металличности (вверху) и температуры (внизу), полученные в результате моделирования, где показано, как формируется звезда массой 200 солнечных масс, проживает очень короткую жизнь, а затем взрывается как сверхновая. Взрыв создаёт обратную связь со следующими звёздами. Левые панели — непосредственно перед формированием звезды, средние — через 1,5 млн лет после формирования, правые — через 0,5 млн лет после смерти звезды. После взрыва звезда образовала остаток сверхновой, состоящий из горячих и богатых металлами выбросов. Металлы в выбросах способствовали охлаждению газа и более быстрому формированию следующего поколения звёзд населения II.
Звёзды населения III нагревают окружающий газ своим мощным ультрафиолетовым излучением, как показано на рисунке выше, что препятствует звёздообразованию. Но это массивные звёзды, и живут они недолго. Взорвавшись, они разбрасывают металлы в окружающее пространство, что может охладить газ и спровоцировать новое звёздообразование. «После короткой жизни (около 2,0 млн лет) звезда умирает как PI SN, а её ударная волна нагревает газ до высоких температур (> 105 К) и выбрасывает большую массу металлов, которые усиливают охлаждение и способствуют переходу к Pop II SF, — объясняют авторы.
Именно здесь звёзды населения III сформировали самые ранние галактики. Впрыскивая металлы в облака звездообразующего газа, они охлаждали его. В результате охлаждения облака звездообразующего газа фрагментировались, делая следующее поколение звёзд населения II менее массивным. «Из-за эффективного охлаждения металлами шкала масс этих звёзд населения II сместилась в сторону меньшей массы и сформировалась в скопление, как показано на правой панели рисунка 6.»
Это рисунок 6 из исследования. На нём показано, как звёзды населения II имеют меньшую массу, чем звёзды населения III, и образуют скопления во фрагментированных облаках. ''Из-за охлаждения металла и турбулентности эти звёзды населения II формируются в скопления вдоль плотных нитей вокруг центра гало'', — пишут авторы.
Звёзды населения III существовали в основном в гало из тёмной материи. Однако исследование показывает, как они формировали последующие звёзды населения II, которые населяли ранние галактики. Один из вопросов, с которым сталкиваются астрономы в отношении первых галактик, — были ли они заполнены крайне бедными металлами звёздами населения II. Но данное исследование показывает обратное. «Таким образом, мы пришли к выводу, что звёзды EMP не были характерны для большинства примитивных галактик», — заключают авторы.
