В далекой галактике, которую ученые видят такой, какой она была 12,7 миллиарда лет назад, обнаружили аномально высокое содержание азота. Такая концентрация этого элемента может свидетельствовать о существовании там гигантских звезд массой до 10 000 солнечных масс. Это открытие позволит объяснить, почему столь рано могли появиться сверхмассивные черные дыры, а также прольет свет на то, как формировались первые галактики и какие процессы определяли раннюю историю космоса.
Современное понимание звездной эволюции строится на наблюдениях за относительно близкими светилами. Долгое время исследователи полагали, что у звезд существует фундаментальный предел массы, не превышающий 120 масс Солнца. За этим порогом внутренние силы просто разорвут светило. Все модели, которые описывают эволюцию галактик, включая Млечный Путь, опираются именно на такой принцип.
Это удобное правило для типичных условий, но не универсальная «заповедь»: многое зависит от окружения. При очень большой массе звезда сильно излучает, это излучение «давит» на наружные слои и провоцирует сильные потери материи. В итоге внешние слои начинают сдуваться в космос — звезда активно теряет вещество, то есть излучение препятствует удержанию вещества. Поэтому для обычных условий образование сверхтяжелых звезд затруднено.
В то же время наблюдения и некоторые современные модели показывают, что в особых случаях, при низкой металличности или высокой скорости притока вещества из окружающего газового облака, могут формироваться гораздо более массивные светил.
Пример — первое поколение светил, так называемые звезды населения III. Эти объекты формировались из первичного газа, состоящего в основном из водорода и гелия, в котором практически не было «металлов» (в астрономии так называют все элементы тяжелее гелия). Такой газ хуже охлаждался, что позволяло ему собираться в более плотные и крупные структуры, которые затем коллапсировали в очень массивные протозвезды. Иными словами, в ранней Вселенной существовали условия, благоприятные для появления отдельных очень массивных светил — их масса могла составлять сотни и даже тысячи масс Солнца.
Однако история о массивном населении III — всего лишь гипотеза. Пока их никто не наблюдал. Есть, конечно, кандидаты на эту роль, но они остаются лишь кандидатами. Обычно эти светила ищут по косвенным признакам — например, по необычным химическим отпечаткам в очень старых галактиках.
Считается, что звезды населения III появились примерно через 100–400 миллионов лет после Большого взрыва, а к моменту, когда Вселенной исполнилось приблизительно 800 миллионов лет, большинство уже погасло. То есть предполагается, что их жизнь была кратковременной.
Еще одна большая загадка ранней Вселенной — сверхмассивные черные дыры, достигающие массы сотни миллионов или даже миллиарды масс Солнца. Ученые находят их в галактиках, образовавшихся через 500–700 миллионов лет после Большого взрыва. По времени излучения эти галактики были молодыми, а в их центрах уже находились огромные черные дыры.
Считается, что им просто не хватило бы времени вырасти до таких колоссальных размеров из обычных «звездных» семян. Ученые годами пытаются понять, как эти черные дыры стали такими гигантами так быстро и какой механизм дал им такой стремительный старт.
Ситуация начала меняться с запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб». Инфракрасные приборы этой обсерватории позволили массово находить очень далекие, древние галактики и подробно измерять их спектры — в том числе химический состав газа, что открыло новую эру в астрономии. Среди подобных галактик — GS 3073, она привлекла особое внимание международной группы астрофизиков во главе с Девешем Нандалом (Devesh Nandal) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в США.
Анализируя спектр света от этой галактики, который шел до Земли 12,7 миллиарда лет, Нандал и его коллеги обнаружили аномально высокое содержание азота. Подобные химические сигнатуры, богатые азотом, встречались и раньше в других галактиках на схожих расстояниях, но их объясняли взрывами сверхновых или активностью ярких звезд Вольфа — Райе, которые укладываются в привычные рамки звездной физики.
Однако GS 3073 оказалась не такой, как все. Количество азота в ней было настолько огромным, что никакие стандартные космические процессы не могли объяснить его концентрацию.
Обычные звезды производят азот медленно и в небольших количествах. Это побочный продукт их жизни. Даже когда светила взрываются как сверхновые, они не производят столько азота, сколько обнаружили ученые в галактике GS 3073. Увидеть огромное количество азота в столь ранней галактике означает, что там работал некий невероятно мощный и быстрый «производственный цех», который смог наработать этот элемент в «промышленных масштабах» за очень короткое время.
Азот не был «ингредиентом» для первых звезд — они появились из водорода и гелия. Но внутри этих массивных светил протекали термоядерные реакции при которых образовался азот. Поэтому большое количество этого элемента в древней галактике — это как найти след от гигантского костра, то есть признак того, что там когда-то горели эти сверхмассивные звезды.
Исследователи рассчитали, что единственным правдоподобным источником такого количества азота могло быть всего несколько гипотетических сверхмассивных звезд населения III. Согласно их моделям, чтобы произвести наблюдаемый избыток элемента, требовались звезды невиданной доселе массы — от 1000 до 10 000 масс Солнца. Всего несколько таких исполинов могли бы полностью изменить химический состав целой галактики.
Правда, открытие встретило скепсис в научном сообществе. Астрофизик Роберто Майолино (Roberto Maiolino) из Кембриджского университета в Великобритании указал на ключевое противоречие. Звезды населения III, по определению, должны формироваться в чистой, «первозданной» среде, практически лишенной тяжелых элементов. Но галактика GS 3073, судя по другим данным, химически «зрелая». В ней уже накопилось достаточно «металлов», что не вяжется с картиной, где должны находиться первые звезды.
Хотя Майолино считает выводы своих коллег неоднозначными, другие ученые призывают не игнорировать результаты исследования команды Нандалы, ведь они могут дать ценную информацию о ранней Вселенной. Астрофизик Джон Риган (John Regan) из Ирландского национального университета в Мейнуте отметил, что первые галактики были достаточно странными с точки зрения законов физики. Если учитывать эту «нестандартность», GS 3073 поможет понять, как возникли сверхмассивные звезды и черные дыры, ускорившие эволюцию галактик в первые мгновения после Большого взрыва.
В любом случае, если Нандал и его коллеги правы, они решат сразу две задачи. Во-первых, докажут, что в ранней Вселенной действительно существовали очень массивные звезды, о которых раньше говорили только гипотетически.
Во-вторых — и это, возможно, даже важнее — ученые смогут разгадать загадку сверхмассивных черных дыр. Такие звезды существовали недолго, но могли сразу превращаться в черные дыры с массой в тысячи раз больше солнечной. Эти объекты, вероятно, быстро росли, не тратя миллиарды лет на поглощение вещества и слияния с другими черными дырами, что позволило им достичь наблюдаемых сегодня размеров. Это объяснило бы, почему исследователи видят черные дыры немыслимой массы в ранней Вселенной.