Нове дослідження виявило, що перші зірки у космосі могли досягати маси, яка в 10 000 разів перевищувала масу Сонця, що приблизно в 1000 разів перевищувало найбільші нинішні зірки. У наш час найбільші зірки мають 100 сонячних мас. Але ранній Всесвіт був набагато більш екзотичним місцем, наповненим мега-гігантськими зірками, які жили швидко і померли дуже-дуже молодими, виявили дослідники. І як тільки ці приречені гіганти вимерли, умови для їхнього повторного формування більше не створювалися.
Понад 13 мільярдів років тому, незабаром після Великого вибуху, у Всесвіті не було зірок. Не було нічого, крім теплого супу з нейтрального газу, який майже повністю складається з водню та гелію. Проте протягом сотень мільйонів років цей нейтральний газ почав накопичуватися у все більш щільні кулі матерії. Цей період відомий як космічні темні віки.
У сучасному Всесвіті щільні кулі матерії швидко руйнуються, утворюючи зірки. Але це тому, що в сучасному Всесвіті є те, чого не вистачало ранньому: багато елементів, важчих за водень і гелій. Ці елементи дуже ефективно випромінюють енергію. Це дозволяє щільним згусткам дуже швидко скорочуватися, руйнуючись до досить високої щільності, щоб ініціювати ядерний синтез – процес, який живить зірки шляхом поєднання легших елементів у важчі.
Космічні темні віки
Але єдиний спосіб отримати важчі елементи — це той самий процес ядерного синтезу. Кілька поколінь зірок, які утворювалися, зливалися та вмирали, збагатили космос до його теперішнього стану. Не маючи здатності швидко виділяти тепло, перше покоління зірок мало формуватися за значно інших і набагато складніших умов.
Холодні фронти
Щоб зрозуміти головоломку цих перших зірок, команда астрофізиків звернулася до складного комп’ютерного моделювання темних віків, щоб зрозуміти, що відбувалося тоді. Вони повідомили про свої висновки в січні в статті, опублікованій в базі даних препринтів arXiv і подано на рецензування до Щомісячних повідомлень Королівського астрономічного товариства.
У новій роботі представлені всі звичайні космологічні компоненти: темна матерія, яка сприяє зростанню галактик, еволюція та злипання нейтрального газу, а також випромінювання, яке може охолоджувати, а іноді й нагрівати газ. Але в їхній роботі є те, чого не вистачало іншим: холодні фронти – швидкоплинні потоки охолодженої речовини, які врізаються у вже сформовані структури.
Дослідники виявили, що утворенню першої зірки передувала складна мережа взаємодій. Нейтральний газ почав збиратися і злипатися. Водень і гелій виділяли трохи тепла, що дозволяло згусткам нейтрального газу повільно досягати більшої щільності. Але згустки високої щільності стали дуже теплими, виробляючи випромінювання, яке розбивало нейтральний газ і запобігало його фрагментації на безліч менших згустків. Це означає, що зірки, створені з цих згустків, можуть стати неймовірно великими.
Надмасивні зірки
Ці зворотні взаємодії між випромінюванням і нейтральним газом призвели до величезних басейнів нейтрального газу – початку перших галактик. Газ у глибині цих протогалактик утворив швидко обертові акреційні диски – швидкоплинні кільця матерії, які утворюються навколо масивних об’єктів, у тому числі чорних дір у сучасному Всесвіті. Тим часом на зовнішніх краях протогалактик випав холодний фронт газу. Найхолодніші, наймасивніші фронти проникли в протогалактики аж до акреційного диска.
Ці холодні фронти врізалися в диски, швидко збільшуючи їх масу та щільність до критичного порогу, що дозволило з’явитися першим зіркам. Ті перші зірки були не просто звичайними фабриками термоядерного синтезу. Вони являли собою гігантські згустки нейтрального газу, які відразу запалювали свої ядра термоядерного синтезу, пропускаючи стадію, коли вони дробилися на дрібні шматочки. Отримана зоряна маса була величезною.
Ці перші зірки були б неймовірно яскравими й жили б надзвичайно коротко, менше мільйона років. (Зірки в сучасному Всесвіті можуть жити мільярди років). Після цього вони загинули б у лютих спалахах наднових. Ці вибухи перенесли б продукти внутрішніх реакцій термоядерного синтезу – елементи, важчі за водень і гелій, – які потім зародили наступний раунд зореутворення. Але зараз, заражений важчими елементами, процес не міг повторитися, і ці монстри більше ніколи не з’являться на космічній сцені.