Эти звёзды жили меньше миллиона лет, но изменили всё: тайна ранней Вселенной раскрывается

В глубинах ранней Вселенной, где ещё не существовало привычных галактик, могли вспыхивать звёзды совершенно иного масштаба. Их свет давно погас, но следы этого краткого и яркого периода, возможно, впервые удалось зафиксировать. Новые данные заставляют учёных по-новому взглянуть на происхождение самых массивных объектов космоса.
Об этом сообщает ScienceAlert.

Загадка ранних чёрных дыр

Одна из ключевых задач, ради которых создавался космический телескоп James Webb, — понять, как появились сверхмассивные чёрные дыры. Астрономы давно сталкиваются с проблемой: объекты массой в миллионы и миллиарды Солнц уже существовали менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Классические сценарии роста чёрных дыр через последовательные слияния просто не укладываются в эти временные рамки, несмотря на современные представления о расширении Вселенной и ранней космологии, включая то, что Большой Взрыв произошёл одновременно во всех точках.

В последние годы всё больше внимания привлекает альтернативная идея — формирование так называемых "зародышей" чёрных дыр напрямую из коллапсирующих облаков газа. Однако у этой гипотезы есть конкурент: в ранней Вселенной могли существовать чрезвычайно массивные звёзды, способные оставить после себя тяжёлые чёрные дыры и повлиять на эволюцию галактических ядер.

Необычная химия далёкой галактики

Международная группа исследователей, работая с данными JWST, обратила внимание на галактику GS 3073. В её спектре обнаружилось аномально высокое соотношение азота к кислороду — около 0,46. Подобное значение не объясняется ни известными типами звёзд, ни результатами обычных сверхновых, которые ранее считались основным источником тяжёлых элементов.

"Химические соотношения работают как космический отпечаток пальца, и узор в GS 3073 не похож ни на что, что способны создать обычные звёзды. Экстремальное содержание азота указывает на один-единственный известный источник — первичные звёзды, в тысячи раз массивнее Солнца", — отмечается в пресс-релизе с участием астрофизика Девеша Нандала.

Учёные предположили, что такой химический "отпечаток" мог появиться только в результате существования звёзд первого поколения — Population III — с массами от тысячи до десяти тысяч солнечных. Именно в центре GS 3073 также находится активно растущая чёрная дыра, что перекликается с наблюдениями о том, что чёрная дыра в центре галактики не разрушает близкие звёзды, а может сосуществовать с окружающей средой на ранних этапах эволюции.

Как рождались "звёздные монстры"

Моделирование показало, что такие гигантские звёзды эволюционировали по особому сценарию. В их ядрах шёл синтез гелия с образованием углерода, который затем попадал в оболочку, где продолжалось горение водорода. Там углерод вступал в реакции, приводя к накоплению азота, который благодаря конвекции распространялся по всему объёму звезды и выбрасывался в окружающее пространство.

Этот процесс длился миллионы лет и постепенно обогащал межзвёздный газ. Важно, что звёзды именно этого диапазона масс давали характерный азотный избыток — ни менее массивные, ни более тяжёлые объекты такого эффекта не создавали. Завершалась их жизнь не взрывом сверхновой, а прямым коллапсом в массивную чёрную дыру.

Свет из "тёмных веков" Вселенной

Полученные результаты помогают заглянуть в эпоху, которую астрономы называют космическими тёмными веками — промежуток между рекомбинацией и формированием первых зрелых галактик. Раньше этот период был практически недоступен наблюдениям из-за слабости излучения, но инфракрасные возможности JWST начали менять ситуацию.

Исследователи ожидают, что будущие обзоры обнаружат и другие галактики с похожими химическими признаками. Это позволит проверить, действительно ли "звёздные монстры" были распространённым явлением и сыграли ключевую роль в формировании современных сверхмассивных чёрных дыр.

В совокупности новые данные связывают воедино сразу несколько загадок ранней Вселенной. Краткоживущие, но чрезвычайно массивные звёзды могли стать тем недостающим звеном, которое объясняет и быстрый рост чёрных дыр, и странные химические следы, дошедшие до нас спустя миллиарды лет.