Первые звёзды Вселенной рождались в космических штормах

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной не было ни галактик, подобных Млечному Пути, ни планет, ни тяжёлых элементов вроде углерода или кислорода. Вместо этого сквозь пространство дрейфовали огромные облака первичного водорода и гелия, медленно втягиваясь в невидимые коконы тёмной материи — так называемые минигало. Именно в этих гало рождались самые первые звёзды — звёзды популяции III.

Десятилетиями астрономы полагали, что формирование первых светил происходило в относительно спокойных условиях, а сами звёзды вырастали до исполинских размеров, в сотни раз массивнее Солнца. Однако исследование под руководством доктора Кэ-Чжуна Чена из Института астрономии и астрофизики Академии Синика рисует куда более хаотичную картину младенчества Вселенной. Результаты работы опубликованы в Astrophysical Journal.

Команда Чена обнаружила, что первичный газ внутри ранних гало раздирали сверхзвуковые турбулентные потоки — космические штормы, скорость которых в несколько раз превышала скорость звука. Эти течения разбивали газ на множество плотных сгустков, кардинально меняя условия рождения первых звёзд. В ходе моделирования учёные проследили эволюцию пятнадцати первичных минигало, возникших около тринадцати миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной не достигал и трёхсот миллионов лет. Чтобы запечатлеть эти крошечные структуры с беспрецедентной детализацией, исследователи повысили разрешение крупномасштабных космологических симуляций в сто тысяч раз, что позволило отслеживать движения газа на масштабах менее светового года.

Оказалось, что газ, устремляющийся в гравитационные ямы тёмной материи, естественным образом порождает турбулентность. Когда несколько потоков сталкиваются вблизи центров гало, возникают вихревые хаотические движения с числами Маха от двух до пяти. Это значит, что вещество перемещалось в несколько раз быстрее локальной скорости звука. В некоторых областях сверхзвуковая турбулентность достигала ещё более экстремальных значений. Вместо того чтобы плавно сжиматься в одну гигантскую звезду, турбулентный газ дробился на множество плотных сгустков. Масса некоторых из них составляла всего несколько солнечных, другие же достигали массы десяти Солнц, прежде чем коллапсировать под собственной тяжестью. Это означает, что первые звёзды могли быть меньше и разнообразнее, чем считалось прежде.

Новые данные способны пролить свет на давние загадки астрономии. Древние «ископаемые» звёзды, наблюдаемые сегодня в Млечном Пути, хранят химические отпечатки первых взрывов сверхновых. Удивительно, но многие из них указывают на то, что первые светила были менее массивными, чем предсказывали старые теории. Обнаруженная турбулентная фрагментация даёт естественное объяснение этому расхождению. Исследование имеет важные последствия и для современных наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб». Хотя отдельные первые звёзды слишком тусклы и далеки для прямого обнаружения, их массы сильно влияют на эволюцию первых галактик и химическое обогащение ранней Вселенной. Поэтому понимание того, как формировались эти первозданные светила, крайне важно для интерпретации наблюдений эпохи космического рассвета. Открытие доктора Чена и его коллег показывает, что рождение первых звёзд было не спокойным, а бурным процессом, в котором хаос играл ключевую роль. Это меняет представление о том, как устроена Вселенная на заре своего существования.