На протяжении двух десятилетий астрономы ломали голову над тем, как сверхмассивные черные дыры — одни из самых ярких объектов во Вселенной — образовались в период, который не превышал миллиард лет после Большого взрыва. Обычные звезды просто не могли создать такие массивные черные дыры достаточно быстро.
Теперь, используя космический телескоп James Webb (JWST), международная команда ученых нашла первое убедительное доказательство, которое решает эту космическую загадку: в ранней Вселенной существовали «звезды-монстры», масса которых в 1000–10 000 раз превышала массу нашего Солнца.
Открытие в далекой галактике
Прорыв произошел благодаря изучению химических следов в галактике GS 3073. Международная команда ученых обнаружила крайний дисбаланс азота и кислорода, который не может быть объяснен ни одним из известных типов звезд.
В 2022 году исследователи опубликовали в журнале Nature работу, в которой предсказывали, что сверхмассивные звезды естественным образом формировались в редких турбулентных потоках холодного газа в ранней Вселенной, объясняя, как квазары (необычайно яркие черные дыры) могли существовать менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.
Эти космические гиганты, вероятно, ярко светились в течение короткого времени, прежде чем коллапсировали в массивные черные дыры, оставив после себя химические следы, которые мы можем обнаружить миллиарды лет спустя. По астрономическим меркам они жили буквально мгновение — всего четверть миллиона лет.
Ключом к открытию стало измерение соотношения азота и кислорода в GS 3073. В галактике соотношение азота и кислорода составляет 0,46 — это намного выше, чем можно объяснить с помощью любого известного типа звезд или звездных взрывов.
По словам ученых, наблюдаемое в GS3073 соотношение элементов, совершенно не похоже на то, что могут произвести обычные звезды. Ее экстремальное содержание азота соответствует только одному известному нам источнику — первичным звездам, которые были в тысячи раз массивнее нашего Солнца. Это говорит нам, что первое поколение звезд включало в себя действительно сверхмассивные объекты, которые помогли сформировать ранние галактики и, возможно, дали начало сегодняшним сверхмассивным черным дырам.
Жизнь и смерть гигантских звезд
Исследователи смоделировали, как будут эволюционировать звезды с массой от 1000 до 10 000 масс Солнца и какие элементы они будут производить. Они обнаружили специфический механизм, который создает огромные количества азота:
- Огромные звезды сжигают гелий в своих ядрах, производя углерод;
- Углерод проникает в окружающую оболочку, где сжигается водород;
- Углерод соединяется с водородом, образуя азот в результате цикла углерод/азот/кислород (CNO);
- Конвекционные потоки распределяют азот по всей звезде;
- В конце концов, этот богатый азотом материал выбрасывается в космос, обогащая окружающий газ.
Этот процесс продолжался миллионы лет во время фазы сжигания гелия звездой, создавая избыток азота, наблюдаемый в GS 3073.
Первые сверхмассивные черные дыры
Созданные исследователями модели также предсказывают, что происходит когда эти гигантские звезды умирали. Они не взрывались, а коллапсировали прямо в массивные черные дыры весом в тысячи масс Солнца. Интересно, что GS 3073 содержит в своем центре активно питающуюся черную дыру — возможно, остаток одной из этих сверхмассивных первых звезд. Если это подтвердится, то сразу будут решены две загадки — откуда взялся азот и как образовалась черная дыра.
Исследование также показало, что этот азотный след появляется только в определенном диапазоне масс. Звезды массой менее 1000 масс Солнца или более 10 000 масс Солнца не производят правильный химический состав для этого следа.
Открытие проливает свет на первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной — период, который астрономы называют «темными веками», когда зажглись первые звезды и начали преобразовывать простую химию ранней Вселенной в богатое разнообразие элементов, которое мы видим сегодня.
Исследователи прогнозируют, что JWST обнаружит больше галактик с аналогичным избытком азота по мере продолжения исследования ранней Вселенной. Каждое новое открытие будет укреплять версию о существовании этих сверхмассивных первых звезд.
По материалам port.ac.uk
