Протягом двох десятиліть астрономи міркували над тим, як надмасивні чорні діри — одні з найяскравіших об’єктів у Всесвіті — утворилися в період, який не перевищував мільярд років після Великого вибуху. Звичайні зорі просто не могли створити такі масивні чорні діри досить швидко.
Тепер, використовуючи космічний телескоп James Webb (JWST), міжнародна команда вчених знайшла перший переконливий доказ, що вирішує цю космічну загадку: у ранньому Всесвіті існували «зорі-монстри», маса яких у 1000–10 000 разів перевищувала масу нашого Сонця.
Відкриття в далекій галактиці
Прорив стався завдяки вивченню хімічних слідів у галактиці GS 3073. Міжнародна команда вчених виявила крайній дисбаланс азоту і кисню, який не може бути пояснений жодним із відомих типів зір.
У 2022 році дослідники опублікували в журналі Nature роботу, в якій передбачали, що надмасивні зорі природним чином формувалися в рідкісних турбулентних потоках холодного газу в ранньому Всесвіті, пояснюючи, як квазари (надзвичайно яскраві чорні діри) могли існувати менш ніж через мільярд років після Великого вибуху.
Ці космічні гіганти, ймовірно, яскраво світилися протягом короткого часу, перш ніж колапсували в масивні чорні діри, залишивши після себе хімічні сліди, які ми можемо виявити мільярди років потому. За астрономічними масштабами вони жили буквально мить — всього чверть мільйона років.
Ключем до відкриття стало вимірювання співвідношення азоту і кисню в GS 3073. У галактиці співвідношення азоту і кисню становить 0,46 — це набагато вище, ніж можна пояснити за допомогою будь-якого відомого типу зір або зоряних вибухів.
За словами вчених, співвідношення елементів, яке спостерігається в GS3073, зовсім не схоже на те, що можуть сформувати звичайні зорі. Її екстремальний вміст азоту відповідає тільки одному відомому нам джерелу — первинним зорям, які були в тисячі разів масивнішими за наше Сонце. Це говорить, що перше покоління зір містило дійсно надмасивні об’єкти, які допомогли сформувати ранні галактики й, можливо, дали початок сьогоднішнім надмасивним чорним дірам.
Життя та смерть гігантських зір
Дослідники змоделювали, як еволюціонуватимуть зорі з масою від 1000 до 10 000 мас Сонця і які елементи вони вироблятимуть. Вони виявили специфічний механізм, який створює величезні кількості азоту:
- Величезні зорі спалюють гелій у своїх ядрах, виробляючи вуглець;
- Вуглець проникає в навколишню оболонку, де спалюється водень;
- Вуглець з’єднується з воднем, утворюючи азот у результаті циклу вуглець/азот/кисень (CNO);
- Конвекційні потоки розподіляють азот по всій зорі;
- Зрештою, цей багатий азотом матеріал викидається в космос, збагачуючи навколишній газ.
Цей процес тривав мільйони років під час фази спалювання гелію зорею, створюючи надлишок азоту, спостережуваний у GS 3073.
Перші надмасивні чорні діри
Створені дослідниками моделі також передбачають, що відбувається, коли ці гігантські зорі вмирали. Вони не вибухали, а колапсували прямо в масивні чорні діри масою в тисячі сонячних. Цікаво, що GS 3073 містить у своєму центрі чорну діру, яка активно живиться — можливо, залишок однієї з цих надмасивних перших зір. Якщо це підтвердиться, то одразу буде вирішено дві загадки — звідки взявся азот і як утворилася чорна діра.
Дослідження також показало, що цей азотний слід з’являється тільки в певному діапазоні мас. Зорі масою менше ніж 1000 мас Сонця або більше ніж 10 000 мас Сонця не виробляють правильний хімічний склад для цього сліду.
Відкриття проливає світло на перші кілька сотень мільйонів років існування Всесвіту — період, який астрономи називають «темними віками», коли запалали перші зорі й почали перетворювати просту хімію раннього Всесвіту на багату різноманітність елементів, яку ми бачимо сьогодні.
Дослідники прогнозують, що JWST виявить більше галактик з аналогічним надлишком азоту в міру продовження дослідження раннього Всесвіту. Кожне нове відкриття зміцнюватиме версію про існування цих надмасивних перших зір.
За матеріалами port.ac.uk
