Астрономы нашли первые прямые доказательства существования "звёзд-монстров" на космическом рассвете

Международная команда исследователей под руководством Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института обнаружила с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба химические следы гигантских первичных звёзд, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва.

На протяжении двух десятилетий астрономы пытались понять, как сверхмассивные чёрные дыры – одни из самых ярких объектов во Вселенной – могли существовать менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Обычные звёзды просто не способны создавать столь массивные чёрные дыры достаточно быстро. Теперь учёные нашли первые убедительные доказательства, решающие эту космическую загадку: в ранней Вселенной существовали "звёзды-монстры" массой от 1000 до 10 000 солнечных масс.

Прорыв стал возможен благодаря изучению химических сигнатур в галактике GS 3073. Исследователи обнаружили экстремальный дисбаланс азота и кислорода, который невозможно объяснить ни одним известным типом звёзд. Соотношение азота к кислороду в галактике составляет 0,46 – значительно выше, чем может обеспечить любая известная звезда или звёздный взрыв.

Дэниел Уэйлен из Института космологии и гравитации Портсмутского университета, заявил:

Наше последнее открытие помогает решить 20-летнюю космическую загадку. С GS 3073 мы получили первое наблюдательное свидетельство того, что эти звёзды-монстры существовали.

Эти космические гиганты ярко горели короткое время, прежде чем коллапсировать в массивные чёрные дыры, оставив химические сигнатуры, которые мы можем обнаружить миллиарды лет спустя. Подобно динозаврам на Земле, они были огромными и примитивными. И жили недолго – всего около четверти миллиона лет, космическое мгновение ока.

Девеш Нандал, постдокторант Швейцарского национального научного фонда в Институте теории и вычислений Центра астрофизики, добавляет:

Химический состав действует как космический отпечаток пальца, и паттерн в GS 3073 не похож ни на что, что могут произвести обычные звёзды. Его экстремальное содержание азота соответствует только одному известному нам источнику: первичным звёздам в тысячи раз массивнее нашего Солнца.

Это говорит нам, что первое поколение звёзд включало поистине сверхмассивные объекты, которые помогли сформировать ранние галактики и могли стать зародышами современных сверхмассивных чёрных дыр.

Исследователи смоделировали эволюцию звёзд массой от 1000 до 10 000 солнечных масс и выяснили, какие элементы они производят. Был обнаружен специфический механизм создания огромных количеств азота: эти гигантские звёзды сжигают гелий в ядре, производя углерод, который просачивается в окружающую оболочку с горящим водородом. Углерод соединяется с водородом, создавая азот через CNO-цикл, а конвекционные потоки распределяют азот по всей звезде. В конечном счёте этот богатый азотом материал выбрасывается в космос, обогащая окружающий газ.

Согласно моделям, опубликованным в журнале Astrophysical Journal Letters, когда эти звёзды-монстры умирают, они не взрываются – вместо этого они коллапсируют напрямую в массивные чёрные дыры весом в тысячи солнечных масс. Примечательно, что в центре GS 3073 находится активно питающаяся чёрная дыра – потенциально тот самый остаток одной из этих сверхмассивных первых звёзд. Если это подтвердится, будут решены сразу две загадки: откуда взялся азот и как образовалась чёрная дыра.

Исследование также показало, что азотная сигнатура появляется только в определённом диапазоне масс – звёзды меньше 1000 или больше 10 000 солнечных масс не производят нужный химический паттерн, что указывает на существование "сладкой точки" для такого типа обогащения.

Эти находки открывают новое окно в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной – период, который астрономы называют "космическими Тёмными веками", когда первые звёзды зажглись и начали преобразовывать простую химию ранней Вселенной в богатое разнообразие элементов, которое мы наблюдаем сегодня. Исследователи прогнозируют, что Джеймс Уэбб обнаружит больше галактик с аналогичным избытком азота по мере продолжения обзора ранней Вселенной.