Если группа г-на Уэйлена права, то звёзды населения III были тяжелее нынешних не в сотни, а в сотни тысяч раз. (Здесь и ниже иллюстрация NASA, WMAP team.)
Как возникли такие объекты? Поначалу были попытки объяснить их рост столкновениями протогалактик и в последующем собственно галактик: ЧД звёздных масс сливались между собой при каждой коллизии, попутно поглощая газ и пыль. Сей гипотетический сценарий был хорош всем, пока не выяснилось, что некоторые галактики уже через пару миллиардов лет после Большого взрыва имели сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) вполне современных размеров, массой до миллиардов солнечных. Объяснить их существование много труднее. Проще постулировать что-то вроде коллапса крупных массивных газопылевых облаков в ЧД. Правда, при всеобяъснительной универсальности этому подходу не хватало такой сущей мелочи, как детализации того, как именно такие облака могли, минуя звёздную стадию, коллапсировать в ЧД.
Предложено довольно много отличающихся в деталях «раскадровок» подобных событий. Дэниэл Уэйлен (Daniel Whalen) из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) вместе с коллегами приписывает существенную часть процесса, который начался в ранней Вселенной, последствиям первичного звездообразования. Когда атомарный водород первых газопылевых облаков охладился в достаточной степени, чтобы образовать водород молекулярный, охлаждение облаков пошло значительно быстрее, и гравитационные силы позволили им наращивать плотность вплоть до начала коллапса вещества и формирования протозвёзд.
Отдельные первые протогалактики оказались менее удачливыми и не такими быстрыми: когда рядом с ними молодые звёзды испускали мощное УФ-излучение, последнее лишало протогалактических соседей молекулярного водорода. А без него охлаждение газа в таких аутсайдерах затруднялось ещё сильнее; по сути, шёл обратный процесс дальнейшего их нагрева, вплоть до 10 000 К. Само собой, этот раскаляемый атомарный газ не мог коллапсировать и формировать звёзды: опоздавшие лишались возможности генерировать звёзды даже тогда, когда накапливали газа до 100 млн масс Солнца.
При достижении этого уровня такие образования начинали притягивать газ из межгалактического пространства (тогда существенно более насыщенного материей) столь интенсивно, что он разогревался и в столкновениях с «местным» газом заставлял его электроны подниматься на более высокий энергетический уровень. Чтобы «опуститься назад», атомы водорода испускали фотоны, уносившие прочь избыточную энергию, оставшуюся от столкновений. Как видим, газ протогалактик-аутсайдеров наконец-то нашёл способ охлаждения: достигнув значительной массы, он получил механизм вывода энергии вовне.
На этом месте у сторонников описанного сценария начинаются лёгкие разногласия. Одни говорят, что за несколько миллионов лет охлаждения газ сливался в шары массой до 100 000–1 000 000 солнечных, которые уже могли коллапсировать в единый объект, так сказать, СМЧД в молодости. Однако моделирование г-на Уэйлена показывает, что большинство таких шаров газа коллапсирует в объекты лишь в десятки тысяч раз тяжелее Солнца. Оно, конечно, впечатляет, но что здесь такого сверхмассивного? И как некоторые такие штуки за менее чем два миллиарда лет добрались до миллиардов солнечных масс? Вопросы, вопросы...
Есть надежда на объяснение и этой сложности, замечает исследователь. Часто его модель показывает, что газовые шары вместо СМЧД образовывали сверхмассивные звёзды, которые проводили свою очень короткую жизнь буквально на грани стабильности. Насколько именно «сверхмассивные»? Группа г-на Уэйлена считает, что в отсутствие значимых количеств элементов тяжелее гелия, играющих важную роль в подстёгивании термоядерных реакций, такие звёзды населения III могли достигать массы в 10 000–1 000 000 солнечных. На первый взгляд, кажется, что где-то здесь опечатка: звезда массой в миллион масс Солнца? Как хорошо знает читатель, другие оценки звёзд населения III ограничивали их возможную массу жалкими сотнями солнц. Пожалуй, постулирование самóй возможности существования звёзд такой массы можно назвать самым смелым аспектом рассматриваемого сценария.
«Если эти звёзды действительно образовывались, они могли [впоследствии] взрываться как очень мощные сверхновые, — полагает учёный. — Это было бы самым мощным взрывом во Вселенной». Что важно, остатки такой сверхновой после взрыва не могли слишком далеко разлететься в силу тяготения тёмной материи протогалактики, и, следовательно, основная их часть должна была коллапсировать в чёрную дыру. «И всё, привет, у вас есть ЧД массой от 10 000 до 1 000 000 солнечных! — считает Дэниэл Уэйлен. — Это и есть «семена» тех сверхмассивных дыр, которые появились позднее.»
Моделирования показало, что всего через два–три десятка миллионов лет после взрыва гравитация тёмной материи притягивала разлетевшиеся на 600 парсек остатки сверхновой населения III обратно, стимулируя образование СМЧД. Все эти движения туда-сюда обогащали значительную часть протогалактики, задетую разлётом продуктов взрыва сверхновой, наработанными в её недрах тяжёлыми элементами, которые провоцировали более лёгкое формирование последующих светил в протогалактиках. По расчётам учёных, такие галактики должны были генерировать звёзды даже быстрее тех протогалактик, что образовали звёзды первыми, а затем вынудили «отставших» соседей долго-долго быть бесплодными массами газа.
По этой модели, взрывы сверхмассивных сверхновых в центрах соответствующих протогалактик оставляли вокруг себя пространство, обогащённое веществами тяжелее гелия, что стимулировало формирование сразу множества новых светил. Сами же остатки сверхновых образовывали молодые СМЧД — прямых предшественников нынешних монстров галактических масштабов.
Рождение таких первых СМЧД должно было стронуть процесс активнейшего звездообразования в остающемся газопылевом хаосе вокруг первых ЧД — «семян» новых галактик. Тут, возможно, и наступает момент истины для астрономов: если события случались именно в описанной последовательности, то взрывы сверхмассивных сверхновых и последующие всплески звездообразования могут быть идентифицированы по специфическому излучению. И хотя пока чувствительности земных и околоземных телескопов для обнаружения таких событий не хватает, ввод в строй будущих наблюдательных средств, таких как телескоп «Джеймс Уэбб», вполне способен подтвердить или опровергнуть столь экстравагантную теорию формирования первых СМЧД и галактик стандартных типов.
Отчёт об исследовании принят к публикации в Astrophysical Journal, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
Подготовлено по материалам NewScientist.
