«Пропажа» первых звезд указала на загадку ранней Вселенной

Современные представления о Вселенной опираются на то, что первое поколение звезд должно резко отличаться от нынешних – быть много массивнее, и содержать мало тяжелых элементов. Именно такие светила должны были наработать вещества тяжелее лития, без которых невозможны ни жизнь, ни твердые планеты. Однако новая работа не нашла никаких признаков таких объектов вплоть до глубокой древности, ставя вопрос о том, как же могли сформироваться современные звезды, типа нашего Солнца.

Сразу после Большого взрыва Вселенную наполняли водород, небольшое количества гелия и совсем малое — лития. Тяжелых элементов не было: они создаются из легких путем слияния ядер атомов в недрах звезд. До формирования самых первых светил сливаться ядрам атомов было негде, отчего элементов тяжелее лития практически не наблюдалось.

По расчетам астрономов, звезды современного типа тоже не могут сформироваться без определенного количества тяжелых элементов. Светила из «легких компонентов» заметно сложнее запускают термоядерную реакцию в своих недрах (у современных звезд помогает «катализатор» — углерод). Поэтому первые звезды, наработавшие тяжелые элементы для Солнца и его более старших сверстников, обязаны резко отличаться от нынешних — быть намного массивнее.

Такие объекты называют звездным населением III. Их обнаружение крайне важно для современной астрономии. Ведь гипотеза о таком звездном населении закрывает важнейший вопрос: откуда взялись тяжелые элементы, обеспечивающие существование звезд современного типа, твердых планет и самой жизни на Земле.

Новая работа европейских исследователей (вскоре выйдет в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) попробовала обнаружить подобные объекты в данных космического телескопа «Хаббл». Для этого астрономы использовали новую технику обработки данных телескопа.

Ранее для поиска самых далеких галактик уже начали использовать гравитационные линзы. Когда между Землей и наблюдаемым объектом лежит другой массивный объект (например, галактика), он может создавать гравилинзу, увеличивая видимый размер того, что находится прямо за ним. За счет этого удалось наблюдать галактики массой в 10-100 раз меньше, чем когда-либо получалось рассмотреть с помощью «Хаббла».

Художественная анимация, показывающая общий принцип работы гравитационной линзы

Однако этот метод имел недостаток: массивные галактики, играющие роль линзы, сами излучают немало звездного света. Он мешает различать самые тусклые, самые далекие галактики, которые как раз интереснее всего в плане поиска первых звезд. Поэтому теперь астрономы научились программно отсеивать свет от галактик-линз. Это позволило увидеть самые тусклые и далекие галактики, когда-либо наблюдавшиеся телескопом такого типа.

Само по себе открытие подобных объектов — хороший результат. Но вот главную цель наблюдений, сами первые звезды, при этом обнаружить не удалось. Получается, их не было во Вселенной уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Из этого вытекает, что первое звездное поколение возникло необычайно быстро, успело наработать тяжелые элементы и исчезнуть без следа.

Это создает серьезную проблему. По более ранним представлениям, через 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная едва успела вступить в эпоху активного звездообразования. Теперь же не вполне ясно, когда это произошло на самом деле. В теории, это не могло случиться слишком рано и слишком близко к моменту Большого взрыва. Известные астрофизические механизмы просто не показывают, каким образом можно было бы сформировать множество первых звезд в слишком раннюю эпоху.

Одна из ключевых проблем здесь — черные дыры. Сами по себе звезды образоваться не могли: для этого нужно, чтобы сперва начали возникать галактики, крупные скопления газа, «строительного материала» звезд. Сегодня предполагается, что большинство галактик «выросло» вокруг сверхмассивных черных дыр, которые до сих пор наблюдается в галактических центрах.

Но сверхмассивная черная дыра сама по себе из ничего не возникает. Раньше считалось, что она образуется из обычной массивной звезды после ее коллапса, а затем набирает массу, поглощая окружающий ее газ. Однако у черных дыр набор массы имеет жесткие ограничения: они не могут расти быстрее определенного темпа. По всем расчетам, первые черные дыры не должны успевать набрать нужную массу в первые сотни миллионов лет существования Вселенной.

На сегодня нет однозначного теоретического объяснения того, что могло бы запустить процесс образования галактик и первых звезд уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Правда, существуют гипотезы, по которым массивные черные дыры могли существовать с самого начала, что снимает проблему слишком быстрого образования первых галактик и звезд.