Древнее газовое облако показывает, что первые звезды должны были образоваться очень быстро

Древнее газовое облако показывает, что первые звезды должны были образоваться очень быстро

Астрономы во главе с Эдуардо Баньядосом из Института астрономии им. Макса Планка обнаружили газовое облако, содержащее информацию о ранней фазе формирования галактики и звезд, всего через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Облако было обнаружено интуитивно во время наблюдений за далеким квазаром, и оно обладает теми свойствами, которые астрономы ожидают от предшественников современных карликовых галактик. Что касается относительного изобилия, химический состав облака удивительно современен, показывая, что первые звезды во Вселенной образовались очень быстро после Большого взрыва.

Когда астрономы смотрят на отдаленные объекты, они обязательно оглядываются назад во времени. Облако газа, обнаруженное Баньядосом и другими, настолько удалено, что его свету потребовалось почти 13 миллиардов лет, чтобы достичь нас; наоборот, свет, достигающий нас сейчас, говорит нам о том, как оно выглядело почти 13 миллиардов лет назад, не более чем через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Для астрономов это чрезвычайно интересная эпоха. В течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды и галактики, однако подробности этой сложной эволюции до сих пор в значительной степени неизвестны.

Это очень удаленное газовое облако стало случайным открытием. Баньядос, затем в Институте науки Карнеги, и его коллеги отслеживали несколько квазаров из обзора 15 наиболее удаленных известных квазаров. Сначала исследователи только что отметили, что квазар P183+05 имеет довольно необычный спектр. Но когда Баньядос проанализировал более подробный спектр, полученный с помощью телескопов Магеллана в обсерватории Лас Кампанас в Чили, он понял, что происходит что-то еще. Странными спектральными особенностями были следы газового облака, которое было очень близко к далекому квазару — одному из самых удаленных газовых облаков, которые астрономы еще не смогли идентифицировать.

Квазары — чрезвычайно яркие активные ядра далеких галактик. Движущей силой их яркости является центральная сверхмассивная черная дыра галактики. Вещество, вращающееся вокруг этой черной дыры (перед падением), нагревается до температур, достигающих сотен тысяч градусов, испуская огромное количество излучения. Это позволяет астрономам использовать квазары в качестве фоновых источников для обнаружения водорода и других химических элементов в поглощении. Если газовое облако находится непосредственно между наблюдателем и удаленным квазаром, часть света квазара будет поглощена.

Астрономы могут обнаружить это поглощение, изучая спектр квазара, т.е. подобное радуге разложение света квазара на различные области длины волны. Схема поглощения содержит информацию о химическом составе, температуре, плотности и даже о расстоянии облака от нас (и от квазара). За этим стоит тот факт, что каждый химический элемент имеет «отпечаток пальца» спектральных линий — область узких волн, в которой атомы этого элемента могут излучать или поглощать свет особенно хорошо. Наличие характерного отпечатка пальца свидетельствует о наличии и изобилии конкретного химического элемента.

По спектру газового облака исследователи могли сразу же определить расстояние до него, оглядываясь назад на первые миллиарды лет космической истории. Они также обнаружили следы нескольких химических элементов, включая углерод, кислород, железо и магний. Однако количество этих элементов было ничтожно малым, примерно в 1/800 раз больше, чем в атмосфере нашего Солнца. Астрономы суммарно называют все элементы тяжелее гелия «металлами»; это измерение делает газовое облако одной из самых бедных металлами (и отдаленных) систем, известных во вселенной. Майкл Раух из Института науки Карнеги, соавтор нового исследования, говорит: «После того, как мы убедились, что смотрим на такой нетронутый газ только через 850 миллионов лет после Большого взрыва, мы начали задаваться вопросом, сможет ли эта система сохранить химические сигнатуры, полученные от самого первого поколения звезд».

Нахождение этих звезд первого поколения, так называемых «популяций III», является одной из самых важных целей в реконструкции истории Вселенной. В поздней вселенной химические элементы тяжелее водорода играют важную роль, позволяя газовым облакам распадаться и образовывать звезды. Но эти химические элементы, в частности углерод, сами по себе производятся в звездах и запускаются в космос во время взрывов сверхновой. Для первых звезд этих химических агентов просто не было бы, поскольку сразу после фазы Большого взрыва существовали бы только атомы водорода и гелия. Именно это делает первые звезды принципиально отличными от всех последующих.

Анализ показал, что химический состав облака не был примитивным с химической точки зрения, а, напротив, был удивительно близок к химическому составу современных межгалактических газовых облаков. Соотношения между изобилием более тяжелых элементов были очень близки к соотношениям в современной вселенной. Тот факт, что в этом газовом облаке в самом начале Вселенной уже присутствуют металлы с современным относительным химическим изобилием, создает серьезные проблемы для образования звезд первого поколения.

Это исследование предполагает, что образование первых звезд в этой системе должно было начаться гораздо раньше: химические продукты, ожидаемые от первых звезд, уже стерты взрывами по крайней мере еще одного поколения звезд. Особые временные ограничения обусловлены сверхновой типа Ia — космическими взрывами, которые потребуются для получения металлов с наблюдаемыми относительными плотностями залегания. Для создания таких сверхновых обычно требуется около 1 миллиарда лет, что серьезно ограничивает любые сценарии формирования первых звезд.

Теперь, когда астрономы нашли это очень раннее облако, они систематически ищут дополнительные примеры. Эдуардо Баньядос говорит: «Очень интересно, что мы можем измерить металлизм и химическое изобилие на столь ранних этапах истории Вселенной, но если мы хотим определить сигнатуры первых звезд, нам нужно исследовать их еще раньше в истории космоса. Я надеюсь, что мы найдем еще более отдаленные газовые облака, которые помогут нам понять, как появились первые звезды».

Популярные материалы