Стародавня газова хмара вказує, що перші зірки повинні були утворюватися дуже швидко після Великого вибуху

Астрономи випадково виявили газову хмару, яка містить інформацію про ранню фазу формування галактик та зірок - лише після 850 мільйонів років після Великого вибуху, та має неочікуваний співвідносний хімічний склад.

Про це розповідають в Інституті астрономії Макса Планка.

Коли астрономи дивляться на віддалені об’єкти, вони обов'язково оглядаються назад у часі. Виявлена газова хмара є настільки віддаленою, що її світлу було потрібно майже 13 мільярдів років, щоб дійти до нас; і навпаки, світло, що досягає нас зараз, говорить нам про те, як виглядала газова хмара майже 13 мільярдів років тому – не більше ніж 850 мільйонів років після Великого вибуху. Для астрономів це надзвичайно цікава епоха. Адже, протягом кількох сотень мільйонів років після Великого вибуху сформувалися перші зірки та галактики, але деталі цієї складної еволюції досі залишаються невідомими.

Ця дуже віддалена газова хмара була випадковим відкриттям. Астрономи слідкували за кількома квазарами з виявлених раніше 15 найвіддаленіших. Спочатку дослідники просто зазначили, що один з квазарів, P183+05, має досить незвичний спектр. Але, коли був проаналізований більш детальний спектр, отриманий за допомогою Магелланових телескопів в обсерваторії Лас Кампанас в Чилі, вчені зрозуміли, що там є щось інше: дивні спектральні особливості були відбитками газової хмари, яка була дуже близько до далекого квазару, – однією із найбільш віддалених газових хмар, що ще не змогли ідентифікувати астрономи.

Освітлена дальнім квазаром

Квазари – надзвичайно яскраві активні ядра далеких галактик. Рушійною силою їх освітленості є центральна надмасивна чорна діра галактики. Матерія, що кружляє навколо цієї чорної діри (перед тим, як потрапити в неї), нагрівається до температури, що сягає сотень тисяч градусів, випромінюючи величезну кількість радіації. Це дозволяє астрономам використовувати квазари як фонові джерела для виявлення водню та інших хімічних елементів при поглинанні: якщо газова хмара знаходиться безпосередньо між спостерігачем і віддаленим квазаром, частина світла квазара буде поглинена.

Астрономи можуть виявити це поглинання, вивчаючи спектр квазара, тобто схоже на веселку розкладання світла квазара на різні ділянки по довжинам хвиль. Зразок поглинання містить інформацію про хімічний склад газової хмари, температуру, щільність і навіть про відстань хмари від нас (і від квазара). За цим стоїть той факт, що кожен хімічний елемент має «відбиток» спектральних ліній – вузької ділянки довжин хвиль, в якій атоми цього елемента можуть особливо добре випромінювати або поглинати світло. Наявність характерного відбитка виявляє наявність та достаток конкретного хімічного елемента.

Не зовсім та хмара, яку вони шукали

Зі спектру газової хмари дослідники могли одразу визначити відстань до хмари і те, що вони озираються назад до перших мільярдів років космічної історії. Вони також знайшли сліди кількох хімічних елементів, включаючи вуглець, кисень, залізо та магній. Однак кількість цих елементів була невеликою, приблизно в 1/800 разів більше, ніж в атмосфері нашого Сонця. Астрономи сумарно називають всі важчі за гелій елементи «металами»; це вимірювання робить газову хмару однією з найбідніших на метали (і найбільш віддалених) систем, відомих у Всесвіті. Переконавшись у тому, що дивляться на такий «незайманий» газ, астрономи почали цікавитися, чи може ця система зберігати хімічні сигнатури, вироблені найпершими поколіннями зірок.

Пошук цих перших поколінь, так званих зірок «популяції III», є однією з найважливіших цілей у реконструкції історії Всесвіту. У пізнішому Всесвіті хімічні елементи, важчі за водень, відіграють важливу роль у тому, щоб газові хмари руйнувалися, утворюючи зірки. Але ті хімічні елементи, зокрема вуглець, самі виробилися в зірках і були викинуті в космос під час вибухів наднових. Для перших зірок таких хімічних посередників просто не було б, оскільки безпосередньо після фази Великого вибуху залишилися лише атоми водню та гелію. Саме це робить перші зірки принципово відмінними від усіх пізніших зірок.

Аналіз показав, що хімічний склад хмари не був хімічно примітивним, натомість, співвідносний склад був напрочуд подібний до хімічного складу, що спостерігається в теперішніх міжгалактичних газових хмарах. Співвідношення вмісту більш важких елементів було дуже близьким до співвідношень у сучасному Всесвіті. Той факт, що ця газова хмара у самому ранньому Всесвіті вже містила метали із сучасним співвідносним хімічним складом, створює ключові проблеми для формування перших поколінь зірок.

Так багато зірок, так мало часу

З цього дослідження випливає, що утворення перших зірок у цій системі повинно було початися набагато раніше: очікувані від перших зірок хімічні виробітки вже були стерті вибухами принаймні ще одного покоління зірок. Конкретне обмеження у часі обумовлене надновими типу Ia, космічних вибухів, які були б необхідні для отримання металів із спостережуваним співвідносним складом. Таким надновим зазвичай потрібно близько 1 мільярда років, що накладає серйозні обмеження для будь-яких сценаріїв формування перших зірок.

Тепер, коли астрономи знайшли цю дуже ранню хмару, вони систематично шукають додаткові приклади, надіючись знайти ще більш відділені газові хмари, тобто більш ранні, які б допомогли їм зрозуміти, як народилися перші зірки.

Читайте ще цікаві новини про космос.