Тяжёлые элементы распространились по Вселенной очень давно

Тяжёлые элементы распространились по Вселенной очень давно

Учёные из Института космологии и астрофизики частиц им. Кавли (США) во главе с Норбертом Вернером (Norbert Werner) при помощи телескопа «Сузаку» исследовали галактическое скопление Абель 426 (оно же скопление Персея). В нём тысячи галактик, которые раскинулись в пространстве на не менее 11 млн световых лет. Оно считается ярчайшим в рентгеновском диапазоне, и повинна в этом высокая температура рассеянного по скоплению газа, превышающая 100 млн градусов. Из-за этого атомы газа почти лишены электронов, а потому ярко излучают в рентгеновском диапазоне.

Благодаря сравнительно близкому расположению скопления Персея (всего 250 млн световых лет от нас) и его высокой яркости рентгеновские телескопы могут подробно изучить его черты, особенно распределение веществ. И именно тут астрономов ждали действительно необычные результаты. Следы железа на всех 11 млн световых лет скопления практически одинаковы, то есть элемент распределён по всему Персею равномерно. «Это говорит нам, что железо и, экстраполируя, остальные тяжёлые элементы уже были распространены по всей Вселенной к тому моменту, когда скопление Персея начало формироваться, — считает Норберт Вернер. — Нет сомнений, любое объяснение того, как именно это случилось, требует поставить во главу угла взрывы сверхновых и активные чёрные дыры».

Расточительнее всего железо в этом мире разбрасывают сверхновые типа Ia — звёзды, взрывающиеся при превышении пороговой массы, что чаще всего случается при слиянии двух белых карликов. Именно так образовалась основная часть железа в вашей крови; его наработка в обычных термоядерных реакциях вроде тех, что протекают в недрах Солнца, несопоставимо ниже.

Согласно наблюдениям «Сузаку», общее количество железа, содержащегося в горячем газе, который заполняет скопление Персея, равно 50 млрд солнечных масс, причём 60% содержится во внешних слоях. Чтобы обеспечить такой объём, нужна сущая мелочь — 40 млрд взрывов Ia-сверхновых, и произойти всё это должно было до возникновения скопления. Дело несколько осложняется тем, что, вообще говоря, вспышка такого рода — событие редкое. Скажем, в нашей Галактике такое бывает примерно раз в год, а иногда и реже.

Попробовав рассчитать время столь массовой и сравнительно одномоментной волны вспышек, учёные пришли к нетривиальному выводу: у скопления 10–12-миллиардолетние корни. Тогда звёзды в галактиках возникали намного чаще, чем сегодня, хотя газа в них было, напротив, много меньше. Активные сверхмассивные чёрные дыры порождали мощнейшие джеты, релятивистские струи, которые выносили вещество из юных галактик вовне. Со временем в самых газонаполненных областях стали появляться скопления галактик, и если они так равномерно насыщены тяжёлыми элементами, то следует признать, что все предшествовавшие тяжёлым элементам сверхновые, существовавшие около будущего скопления Персея, взорвались в весьма небольшой отрезок времени.

«Если наш сценарий верен, то все галактические скопления с массами, близкими к Персею, должны показать сходную концентрацию железа и его «гладкое» распространение, включая удалённые от центра районы», — полагает Андрей Урбан (Ondrej Urban), коллега и соавтор г-на Вернера.

Для полного соответствия модели действительности требуется такое численное превосходство древних вспышек сверхновых над взрывами более позднего десятка миллиардов лет, чтобы последние не могли изменить распределение железа в скоплении Персея (даже располагая для этого куда бóльшим временем). Если то же самое справедливо для всей остальной Вселенной, то получается, что тяжёлые элементы, без которых, как считается, не могли возникнуть твёрдые планеты и жизнь земного типа, в основном образовались более десятка миллиардов лет назад, и их концентрация уже тогда была близка к современной. К той же эпохе в этом случае сдвигается пик формирования не только звёзд, но и планет земного типа.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature; с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам НАСА.