Перші заселені світи утворилися ще до перших галактик

До недавнього часу вважалося, що в перші сотні мільйонів років Всесвіт був «порожнім і безвидним»: у темному просторі ще не було зірок, не те що їх планет. Поступово картина змінюється, а нове дослідження показало, що вже в перші кількасот мільйонів років після Великого вибуху почали з’являтися перші планети. Це серйозно відсуває дату можливого життя в минуле.

Традиційне бачення еволюції Всесвіту останніми роками — особливо через спостереження космічного телескопа «Джеймс Вебб» — дало множинні тріщини, а випромінювання поглиналося ще не іонізованим міжзоряним газом, виявилося несумісною з реальністю. Навіть за 300 мільйонів років після початку історії Всесвіту галактики вже цілком спостерігаються.

Але залишається питання: коли почали формуватися класичні планетні системи, тобто не просто зірки, складові галактики, а такі, поблизу яких можливе життя? Найперші зірки майже мали важких елементів, оскільки вони ще напрацювалися у надрах наднових (адже до перших зірок перших наднових просто було). Без важких елементів формування планет та протопланетних дисків малореальне. Як мінімум про кам’янисті планети точно не йшлося: без важких елементів не можна створити планету, що складається з важких елементів типу нашої Землі.

Автори нового дослідження, з яким можна ознайомитися на сервері препринтів Корнеллського університету, вирішили змоделювати, як саме були справи з утворенням планет у ранньому Всесвіті. Зокрема, вони змоделювали швидкість еволюції парно-нестабільних наднових та їх вплив на навколишнє середовище.

Парно-нестабільними надновими називають особливо масивні зірки — від 130 і більше разів «важчі» за Сонце, — що спалахують надновими за незвичайним механізмом. Коли світило настільки потужно, у його надрах сумарна енергія термоядерних реакцій досягає величезних величин, створюючи потужне гамма-випромінювання. Воно настільки сильно, що утворює пари електронів та позитронів.

Такий процес запускається, коли фотон дуже високої енергії знаходиться в специфічних умовах: наприклад, у полі масивної зарядженої частинки або ядра атома. При цьому «з нічого» (але насправді з енергії фотона) виникає пара «частка — античастинка», де роль частки грає електрон, а античастинки — позитрон (античастинка електрона).

Процес народження пар може бути лавинним, і поки він іде, тиск, що робиться гамма-випромінюванням з ядра на зовнішні шари зірки, різко знижується. При цьому тиск зовнішніх шарів світила на внутрішні не зменшується. Отже, баланс тиску між внутрішніми та зовнішніми шарами порушується. Зірка частково колапсує, що серйозно підвищує температуру та тиск усередині її ядра.

При цьому можуть бути термоядерні реакції, які в нормі енергетично неможливі. Скажімо, у звичайній зірці реакції злиття ядер зупиняються на вуглеці (від сили — кисні чи неоні), бо далі злиття ядер атомів поглинає більше енергії, ніж виділяє. Але за парної нестабільності енергії в ядрі зірки так багато, що там йде масове напрацювання такого важкого елемента, як залізо.

Важлива відмінність такого вибуху наднової від звичайної в тому, що через дуже високі енергії вся речовина зірки викидається в навколишній простір. Ніяка нейтронна зірка чи чорна діра не утворюється: вся наднова руйнується без залишку.

Звичайні зірки нашої ери так спалахнути не можуть. По-перше, їм не вистачить маси (сьогодні такі масивні світила просто не утворюються). По-друге, для цього потрібно, щоб у зірці майже не було елементів важчих за гелій. У сучасному Всесвіті просто немає сировини для зірок, настільки бідною елементами важчими за гелій. Натомість 13,5 мільярда років тому й важчих елементів майже не було, тому найперше покоління зірок могло нерідко вибухати саме таким чином.

Автори нової роботи розрахували еволюцію таких зірок та її вплив на близьке до неї міжзоряне середовище раннього Всесвіту. Виявилося, після її вибуху вміст важких елементів поруч із надновою, що вибухнула, може бути велике — іноді навіть більше, ніж у речовині Сонця. При цьому вибух породжує в навколишньому газі серйозну нестабільність. Газ «комкуется» вибуховою хвилею настільки, що в ньому виникають протозіркові хмари масою до однієї сонячної.

Що важливо, в цих хмарах досить не тільки газу, а й пилу важких елементів, з яких вже може утворитися і планетезималь — тіло, що утворюється з космічного пилу, яке потім служить «цеглиною» для будівництва планет. може досягати п’яти мас Землі. Це не дуже багато за мірками сучасних планетних систем, але все-таки. достатньо освіти кам’янистої планети земної маси.

Розрахунки астрономів показали, що такі системи матимуть центральну зірку з масою до 0,7 сонячної. У діапазоні орбіт 0,46-1,66 астрономічної одиниці (одна така одиниця дорівнює відстані від Землі до Сонця) має бути достатньо води для формування планети, здатної мати океани.

З усього цього вчені зробили висновок, що перші населені планети могли утворитися вже в перші 200 мільйонів років історії Всесвіту. Вони могли виникнути ще до появи навіть найдавніших галактик. Причому подібні планети можна буде виявити найближчими роками за рахунок вивчення найстаріших із відомих зірок нашої Галактики.