Свет, который испустили самые первые звезды, ионизовал нейтральный водород и сделал Вселенную прозрачной для ультрафиолетового излучения. Так спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва было покончено с «темными временами» — временем, когда вещество Вселенной было непрозрачным для излучения.
Первородное вещество, из которого состояла Вселенная в те времена, состояло из водорода с небольшой примесью гелия. Более тяжелые элементы (астрономы их условно называют металлами) тогда почти отсутствовали – они просто не успели наработаться в недрах звезд.
Самые чистые звезды
О том, как рождались первые звезды Вселенной, сегодня известно из теоретических работ и компьютерных вычислений. Первоначальные неоднородности темной материи собирали вокруг себя газ, в сгустках которого на определенном этапе сжатия зажигались термоядерные реакции. Последние десять лет ученые сходились во мнении, что первые звезды рождались поодиночке, были сверхмассивными и жили очень недолго. Это связано с тем, что так называемая джинсовская масса (размер коллапсирующей под действием самогравитации области однородной среды) зависит от металличности среды. Дело в том, что «металлы» (в данном случае углерод и кислород) эффективно отводят тепло, которое мешает гравитационному сжатию облака. А если их в среде нет, отводом тепла, выделяющегося при гравитационном сжатии, занимаются молекулы водорода — H2, однако делают они это менее эффективно. Поэтому до последнего времени считалось, что рождать первые звезды могли лишь очень массивные протозвездные облака газа, и масса их «первенцов» должна была составлять тысячи масс Солнца.
Группа немецких и американских ученых под руководством Ральфа Клессена из Гейдельберга провела масштабное компьютерное моделирование и пришла к выводу, что устоявшиеся взгляды на процесс первичного звездообразования надо пересмотреть. Ученые показали, что ранняя Вселенная вряд ли была наполнена сверхмассивными одинокими звездами. Причина кроется в динамике выпадения вещества на центр гравитирующих облаков газа. Газ, выпадающий на протозвезду, вращается, поэтому движется к центру не прямым потоком, а образует вокруг гравитационного центра аккреционный диск. Выпадать на протозвезду из диска газ может лишь благодаря трению между различными слоями. Моделирование показало, что если в диск попадает больше вещества, чем он может «переварить», сам диск становится нестабильным и фрагментируется.
Звездный выводок
Астрономы создали виртуальное коллапсирующее облако из огромного количества частиц и учли физические процессы, происходящие внутри него. Спустя 60 лет после образования первой протозвезды аккреционный диск вокруг нее был стабилен и имел два спиральных рукава. Вскоре он удвоился в размерах, стал неустойчивым и образовал внутри себя вторую протозвезду на расстоянии 20 астрономических единиц от первой. После этого в диск стало попадать больше вещества, чем в первые годы, и фрагментация продолжилась. В итоге спустя 120 лет после рождения первой звезды в пределах нескольких десятков астрономических единиц существовало уже четыре сестринские звезды. «Расстояния между некоторыми из них могло меньше орбиты Земли вокруг Солнца», — пояснили авторы исследования.
Звезды-пенсионеры
Однако самый интригующий вывод работы заключается в другом. Моделирование показало, что из ансамбля едва успевших родиться звезд одну из них иногда выбрасывало еще до того, как она успевала собрать на себя достаточное количество вещества. В отличие от массивных, звезды с малой массой эволюционируют долго и могут существовать миллиарды лет. До сего момента науке не было известно ни одной звезды из первого поколения. Солнце, например, – звезда третьего поколения, оно образовано из остатков звезд первого и второго поколений. Если вычисления физиков окажутся правильными, это откроет перед наблюдателями заманчивые перспективы. «Невероятно, но некоторые маломассивные звезды могли дожить до наших дней, что позволит нам исследовать самые ранние этапы формирования первых звезд и галактик», — пояснил доктор Кларк.
Работа ученых опубликована в журнале Science.
