Первенцы Вселенной

Первенцы Вселенной

Как астрономы обнаружили остатки взрывов первых звезд в истории космоса

Ученые нашли в глубинах Вселенной газовые облака, оставшиеся от взрывов первых звезд, совсем не похожих на современные. В этом открытии им помог Очень большой телескоп (Very Large Telescope, или VLT) — крупнейший телескоп в мире. Открытие сделала научная группа во главе с Себастьяном Лопесом из Чили. Научная работа опубликована в Astrophysical Journal.

Квазар излучает свет. Свет проходит через газовое облако, вещество облака поглощает некоторые участки спектра квазара. По положению темных линий можно определить элементный состав облака

Фото: ESO.org

Когда во Вселенной рассвело

Часто говорят, что история Вселенной началась с Большого взрыва 13,7 млрд лет назад. Правильнее сказать, что с этого события началась Вселенная, какой мы ее знаем. До того были какие-то частицы и поля, но не было даже атомов, не говоря о звездах и галактиках.

Сразу после Большого взрыва температура была слишком высока для существования атомных ядер. Но пространство быстро расширялось, энергия распределялась по все большему объему, и вещество остывало. Уже в первую секунду возникли протоны и нейтроны. В течение нескольких минут они объединялись в атомные ядра в первых во Вселенной термоядерных реакциях. Потом температура упала, и реакции прекратились.

Новорожденный мир был монотонным и скучным. Пространство почти равномерно заполнилось газом, столь разреженным, что по земным меркам это был просто вакуум. Этот газ был смесью водорода и гелия с ничтожной примесью лития, бериллия и бора, которую можно не брать в расчет. Только эти простейшие элементы образовались в первичных термоядерных реакциях.

Но за дело тут же взялся неутомимый скульптор — гравитация. Распределение вещества было все-таки не совсем равномерным, встречались случайные сгущения и разрежения. Там, где материи было чуть-чуть больше, и тяготение было сильнее. В эту точку притягивались новые массы вещества. От этого гравитация усиливалась и круг замыкался. Исходное крошечное уплотнение росло как снежный ком.

Так первичный газ собрался в огромные облака, позже ставшие галактиками и скоплениями галактик. Они тоже не были однородными: гравитация собирала комки внутри комков. В самых плотных и компактных сгустках температура и давление выросли настолько, что начались термоядерные реакции. В этих реакциях водород превращался в гелий, а гелий — в более тяжелые элементы. Эти «реакторы» и были первыми звездами. Момент их возникновения поэтично именуют космическим рассветом.

Когда Вселенная впервые озарилась звездным светом? По некоторым расчетам, уже спустя 250–350 млн лет после Большого взрыва. Во всяком случае, в первый миллиард лет.

Великий круговорот

Светила непрерывно истекают в окружающий космос веществом — звездным ветром. А в конце жизни, когда термоядерные реакции заканчиваются, звезда разрушается. Ее ядро превращается в компактный остаток, а внешние слои рассеиваются в космосе. С небольшими светилами это происходит постепенно, а массивные (от десяти масс Солнца) погибают в катастрофической вспышке сверхновой. Итог один: часть вещества консервируется в остатке (белом карлике, нейтронной звезде или черной дыре), а остальное превращается в межзвездный газ. И, значит, может стать материалом для новых звезд.

Сколько циклов этого круговорота уже успело миновать? Астрономы судят об этом по спектру светил, в котором отражается химический состав их поверхности. Почти всю жизнь звезды термоядерные реакции происходят глубоко в ее недрах. Поэтому поверхность состоит из того же вещества, из которого светило когда-то образовалось.

Все элементы, кроме водорода и гелия, астрономы называют металлами (химика от такого легкомыслия хватил бы удар).

Солнце состоит из металлов примерно на 2%. Это означает, что вещество, из которого возникло наше светило, уже дважды проходило термоядерную переработку в недрах звезд.

Другими словами, Солнце — звезда третьего поколения. К этому же поколению принадлежит большинство светил Млечного Пути.

Но есть в Галактике звезды, чрезвычайно бедные металлами. Некоторые из них беднее Солнца в тысячи и даже миллионы раз! Эти светила — немногие оставшиеся представители второго поколения. Они образовались из материала, побывавшего в звездных термоядерных топках всего один раз.

Ну а звезды первого поколения должны состоять только из водорода и гелия — элементов, образовавшихся сразу после Большого взрыва. Так, во всяком случае, гласит теория. Никто никогда не видел «живую» звезду первого поколения, и надежды на такое знакомство практически нет. Чтобы понять, почему это так, поговорим подробнее о превращении скучных комков межзвездного газа в сияющие светила.

Путь к свету

Так художник — автор рисунка представляет себе далекое газовое облако, схематически изобразив атомы различных элементов

Фото: ESO.org

Зародыш звезды, в котором еще не начались термоядерные реакции, называется протозвездой. Протозвезда сжимается под действием собственной гравитации. Из-за этого внутри растут температура и давление. Это давление противостоит сжатию. Кто победит в этой схватке, зависит от силы тяготения и, следовательно, от массы. Юпитер не стал звездой именно потому, что давление в его недрах уравновесило гравитацию и остановило сжатие. Будь он в сотни раз массивнее, этот гигант сжимался бы, пока в его недрах не вспыхнули термоядерные реакции. В Солнечной системе появилась бы вторая звезда.

Но дело не только в массе и гравитации. Протозвезда, сжимаясь, излучает в космос инфракрасные волны. Это слегка охлаждает ее недра и уменьшает давление (давление горячего газа при прочих равных условиях выше, чем холодного). Только это и позволяет ей сжиматься дальше. Если бы протозвезда ничего не излучала, давление росло бы слишком быстро и остановило сжатие до достижения «термоядерного порога». Как ни парадоксально это звучит, будущей звезде нужно все время сбрасывать часть внутреннего тепла, чтобы в итоге разогреть недра до миллионов градусов.

Первобытные монстры

Здесь-то и начинаются те детали, в которых, согласно пословице, кроется дьявол. На поверхности протозвезд второго и третьего поколения были молекулы металлов, ведь металлы уже успели образоваться. Это очень эффективные инфракрасные излучатели. Благодаря им протозвезда, имеющая хотя бы 10% солнечной массы, превращается в звезду. Именно из-за весьма демократичного «массового ценза» большинство звезд в Галактике уступает массой даже нашему скромному Солнцу. Маленьких комков вещества всегда намного больше, чем больших (сравните, например, число планет в Солнечной системе с числом астероидов).

Но во времена космического рассвета металлов еще не было. Единственный подходящий для той эпохи излучатель, найденный астрофизиками,— молекулы водорода. А они не слишком охотно испускают инфракрасные волны.

Получается, что многие протозвезды первого поколения замирали, так и не став звездами. Только колоссы массой как минимум в десятки солнц сумели сжаться настолько, что начали термоядерные реакции и разогнали космическую тьму. Сегодня мы называем звезды такой массы гигантами и считаем их редкостью по сравнению с заполняющими Галактику светилами-карликами. Между прочим, Солнце — тоже карлик, хоть оно и массивнее большинства собратьев.

В первом поколении были собственные гиганты, по нынешним временам невообразимые. Возможно, их масса измерялась тысячами солнц. Сегодня такая протозвезда не может даже образоваться: она превратится в звезду много раньше. Нынешние рекордсмены не достигают и 200 солнц.

Астрономы мечтают взглянуть на этих первозданных гигантов. Но массивные звезды очень недолговечны. Да, у них огромный запас «горючего», но и термоядерные реакции идут очень интенсивно. Заурядный красный карлик третьего поколения массой 10% солнечной будет худо-бедно тлеть триллионы лет. Солнца хватит примерно на 10 млрд лет, и половина этого срока уже прошла. А звезды первого поколения при их огромной массе должны были сгореть и взорваться как сверхновые за какие-то миллионы лет. А возникли они, напомним, более 13 млрд лет назад. Найти первозданное светило, дожившее до наших дней,— все равно что встретить человека, родившегося в миллионном году до нашей эры.

Машина времени не заводится

Конечно, у астрономов есть знаменитая «машина времени». Свету далеких галактик требуются миллиарды лет, чтобы добраться до Земли. Сегодня мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, в момент испускания этого света. Телескоп заглядывает не только вдаль, но и в прошлое.

Беда в том, что космический рассвет отгорел слишком давно. Лишь недавно новейший орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб» разглядел галактики, лучи которых были испущены в эпоху первых звезд. Но даже для него эти галактики — крошечные туманные пятнышки. Нечего и думать различить в них отдельные звезды. Да и звездный ли свет от этих галактик увидел «Уэбб»? Или в них гнездятся квазары — сверхмассивные черные дыры, на которые падает раскаленная материя? Надежного ответа на этот вопрос пока нет.

Исчезающий свет

Но если сами первые светила разглядеть пока не удается, можно поискать остатки их взрыва. Далеко не все они стали звездами второго поколения. Часто плотности вещества не хватает, чтобы тяготение слепило из него протозвезду. Тогда на месте взрыва остается газовое облако, состав которого не меняется миллиарды лет. Подобные остатки первых звезд можно наблюдать, не заглядывая в эпоху рассвета.

Но как увидеть этот газ в телескоп, если он не светится? Астрономы умеют видеть не только то, что излучает свет, но и то, что его поглощает. Главное — иметь фоновый источник света, просвечивающий объект насквозь. В качестве такого фонаря удобно использовать уже упомянутые квазары. Это самые мощные источники излучения в природе, их лучи преодолевают расстояния, сравнимые с размером видимой Вселенной. И, конечно, нужно, чтобы объект не был совсем уж непрозрачным. Иначе свет «фонаря» просто не дойдет до телескопа.

К счастью, остатки сверхновых почти прозрачны, но именно «почти». Они поглощают свет на определенных частотах (линиях поглощения). Если из спектра квазара пропадают эти частоты, значит, его свет по дороге к Земле прошел сквозь облако газа. По линиям поглощения можно судить и о составе «полупрозрачной вуали», поскольку у каждого вещества свои линии. А по смещению этих линий в спектре определяется расстояние до облака.

Конечно, все это проще сказать, чем сделать. Лопесу и коллегам понадобился гигантский телескоп VLT с его четырьмя восьмиметровыми зеркалами и первоклассный спектрограф X-shooter.

Благодаря этим инструментам ученые обнаружили 54 газовых облака. Лучи квазаров прошли сквозь них спустя 1,5–2 млрд лет после Большого взрыва. В ту эпоху первые звезды уже успели взорваться, но их остатки еще не успели рассеяться.

Исследователи отобрали 37 самых бедных металлами облаков. В них астрономы определили содержание углерода, кислорода, магния, кремния, алюминия и железа. Особое внимание наблюдателей привлекли три облака. Помимо общего низкого содержания металлов они были необычны еще и пропорциями: железа было слишком мало по сравнению с углеродом. Такой же состав имеют некоторые звезды второго поколения, так называемые CEMP-no-звезды.

Следы катастрофы

Напомним, что второе поколение звезд образовалось из остатков светил первого поколения. В 2005 году научная группа во главе с Кэити Маэда из Японии объяснила https://www.science.org/doi/10.1126/science.1112997 состав CEMP-no-звезд. Ученые рассчитали, что такое вещество должно образоваться при взрыве первозданных звезд массой около 25 солнц.

Взрыв сверхновой происходит, когда в звезде заканчиваются термоядерные реакции. Пока эти реакции идут, они производят излучение, благодаря которому звезда и светится. Именно давление этого излучения стабилизирует светило, мешая гравитации его сжать. Когда излучение «выключается», внешние слои звезды падают на ядро и отскакивают от него. Энергия удара раскаляет материю до огромных температур. В результате вокруг стремительно сжимающегося ядра образуется горячая расширяющаяся волна вещества, похожая на взрывную. Это и есть взрыв сверхновой в самых общих чертах. Детали очень сложны и сильно зависят от массы звезды, ее исходного состава и других параметров.

Двадцать пять масс солнца — это немного по меркам первого поколения. Маэда и коллеги рассчитали, что тяжелые элементы вроде железа упадут обратно на ядро погибающей звезды. А значит, навеки останутся в черной дыре, в которую это ядро превратится. А вот углерод достаточно легок, чтобы улететь вместе с отскочившими слоями. Так и образуется газовое облако с нехваткой железа по сравнению с углеродом.

Получается, что Лопес и коллеги обнаружили остатки тех самых сверхновых. Если бы этим облакам хватило плотности, из них образовались бы CEMP-no-звезды второго поколения. Но поскольку плотности не хватило, мы наблюдаем остатки взрывов первых звезд как они есть. Вернее, как они были спустя 1,5–2 млрд лет после Большого взрыва.

Это самое «чистое» свидетельство о звездах первого поколения, которое у нас есть. Теперь астрономам предстоит изучить эти объекты как можно подробнее. В этом помогут новые и еще более мощные телескопы — например, Экстремально большой телескоп с 39-метровым зеркалом, который начнет работу в 2027 году.