Астрономы впервые нашли следы «звезд-монстров», возникших в начале Вселенной

Международная команда астрономов из Университета Портсмута и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики обнаружила с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб химические следы сверхмассивных звезд, существовавших в ранней Вселенной. Эти «звезды-монстры» в тысячи раз массивнее Солнца показывают, как возникли сверхмассивные черные дыры менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

Первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва астрономы называют «космическими темными веками». В это время зажглись первые звезды и начали преобразовывать простую химию ранней Вселенной — в основном водород и гелий — в богатое разнообразие элементов. Сверхмассивные звезды формировались в редких турбулентных потоках холодного газа. Эти звезды были предсказаны теоретически, но до сих пор их следы обнаружить не удавалось.

Два десятилетия астрономы не могли понять, как квазары — ярчайшие объекты во Вселенной, питаемые сверхмассивными черными дырами — успели сформироваться так быстро после Большого взрыва. Обычные звезды просто не могли создать столь массивные черные дыры за столь короткое время.

Изображение, показывающее, как развиваются сверхмассивные звезды.
Devesh Nandal, Center for Astophysics Institute for Theory and Computing

Разгадка пришла, когда ученые стали анализировать химический состав галактики GS 3073. Исследователи обнаружили экстремальное соотношение азота к кислороду — 0,46, что невозможно объяснить никакими известными типами звезд или звездных взрывов. Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Химия первых звезд

«Химический состав — это своего рода космический "отпечаток пальца", и картина в GS 3073 не похожа ни на что, что могут производить обычные звезды», — объясняет соавтор работы Девеш Нандал. По его словам, экстремальное содержание азота соответствует только одному источнику — первичным звездам, в тысячи раз массивнее Солнца.

Диаграммы H-R (вверху) и Киппенхана (внизу) для звезды с массой 7000 масс Солнца. Вся эволюция звезды показана на рисунках (a) и (b), ее эволюция до главной последовательности показана на рисунках (c) и (d), фаза горения водорода в ядре показана на рисунках (e) и (f), а фаза горения гелия в ядре до конца горения кремния показана на рисунках (g) и (h). Черные и белые линии на диаграммах Киппенхана представляют собой линии изомассы и изотермы соответственно, а красные и зеленые точки вдоль траектории в левом нижнем углу (a) — это положения нулевого возраста главной последовательности (ZAMS) звезд Населения III массой 2–120 масс Солнца и 1000–10 000 масс Солнца для сравнения.

Исследователи смоделировали эволюцию звезд массой от 1000 до 10000 солнечных масс. Оказалось, что в их недрах работает особый механизм: гелий в ядре превращается в углерод, который просачивается в оболочку, где идет горение водорода. Там углерод участвует в C-N-O-цикле, производя огромные количества азота, который конвекция распределяет по всей звезде и в итоге выбрасывает в окружающее пространство.

Эти гигантские звезды существовали всего четверть миллиона лет — мгновение по космическим меркам — после чего коллапсировали напрямую в массивные черные дыры весом в тысячи солнечных масс, не взрываясь как сверхновые. В центре GS 3073 находится активная черная дыра, возможно, она образовалась при коллапсе одной из таких звезд-монстров.