Введение

С развитием астрономии и улучшением технологий телескопов мы получили возможность заглянуть вглубь времени и обнаружить множество удивительных особенностей нашей Вселенной. Однако одной из загадок, которая до сих пор остается неразгаданной, являются звезды Популяции III (Pop III) — первые звезды, возникшие в начале Вселенной, состоящие исключительно из чистого водорода и гелия, без каких-либо «металлов» (то есть элементов более тяжелых, чем водород и гелий).

Загадки первых звезд

Согласно теории, эти звезды обладали колоссальными размерами и, как выразился Билл Уртц в одном из популярных видео, «умирали с огнем». Недавняя работа, опубликованная на предпечатьном сервере arXiv Тэ Бон Жона из Космического фронтира Центра Университета Техаса в Остине, исследует, насколько масштабными могли бы быть эти звездные всплески и сможет ли телескоп Джеймса Уэбба (JWST) их обнаружить.

Звезды на заре времени

На данный момент JWST нашел некоторые намеки на существование звёзд Pop III, но в значительно более поздние периоды, чем ожидалось на основании теоретических моделей, составленных до запуска телескопа. Некоторые галактики, находящиеся на грани эпохи рекомбинации, демонстрируют признаки этих первозданных звездных всплесков, но с задержкой в сотни миллионов лет.

Условия для формирования звезд

Чтобы это произошло, необходимо избежать двух критических ловушек. Во-первых, облака водорода и гелия, из которых формируются звезды, не должны схлопываться слишком рано. Во-вторых, они должны оставаться «незапятнанными» металлами от соседних сверхновых. Рассмотрим, как можно задержать схлопывание газового облака.

Роль молекулярного водорода

В ранней Вселенной примордиальные газовые облака могли схлопываться под действием собственной гравитации только в том случае, если они могли остыть. Обычно, когда они становились достаточно плотными, они просто нагревались, что приводило к их расширению. Ключевую роль в этом процессе играл молекулярный водород (H₂), который способствовал формированию первых звезд Pop III, позволяя темной материи притягивать достаточное количество газа для начала термоядерного синтеза.

Механизмы охлаждения

Однако в более поздние эпохи молекулярного водорода становилось больше, и, по идее, звезды Pop III должны были формироваться легче и, учитывая их короткий срок жизни, сгорать задолго до периодов, которые наблюдает JWST. Одним из возможных решений этой загадки является уменьшение количества молекулярного водорода, доступного в качестве охладителя вблизи этих газовых облаков. К счастью, существует механизм, известный как радиация Лаймана-Вернера (LW).

Радиация Лаймана-Вернера

Радиация LW состоит из мягких ультрафиолетовых фотонов, которые разрушают молекулярный водород при контакте, превращая его в атомарный водород, который не так эффективен в охлаждении газовых облаков. Таким образом, если газовое облако подвергается воздействию LW-радиации, образование звезд задерживается до тех пор, пока оно не достигнет «атомной стадии охлаждения». На этом этапе количество материала становится таким большим, что атомарный водород, образованный после разрушения молекулярного водорода, может в конечном итоге привести к катастрофическому схлопыванию в звезду.

Моделирование и результаты

Чтобы продемонстрировать этот механизм, авторы смоделировали «гало» темной материи, которое охлаждалось перед схлопыванием, и подвергли его воздействию различных уровней LW-радиации. Они отметили, что формируется отчетливая структура, где внешние слои гало оставались очень горячими от длительного воздействия внешней ультрафиолетовой радиации, в то время как внутреннее ядро становилось плотнее, образуя своего рода защитный щит.

Влияние сверхновых

Однако радиация LW — не единственное, что присутствует во Вселенной в период формирования этих потенциальных «поздних» звезд Pop III. Металлы от других сверхновых также существуют, но они движутся гораздо медленнее. Авторы подчеркивают, что LW-радиация от близлежащих сверхновых может достигать этих первозданных газовых и пылевых облаков на сотни миллионов лет быстрее, чем металлические частицы, которые могут «загрязнить» их, превращая в звезды Pop II (следующее поколение звезд, обладающих некоторым уровнем металлического содержания).

Технические сложности

Тем не менее, различение звездных всплесков Pop III и их более обыденных собратьев Pop II остается технической задачей. Авторы подсчитали, что с помощью гравитационного линзирования мы сможем обнаружить звездные всплески Pop III с нашим современным оборудованием. Однако использование гравитационных линз требует значительной доли удачи, так как то, что мы ищем, должно находиться прямо на линии с галактикой, которая осуществляет линзирование.

Заключение

Тем не менее, авторы подсчитали, что, используя такие опросы, как GLIMPSE, специально разработанные для использования гравитационных линз, исследователи могли бы найти до девяти таких поздно расцветающих звездных всплесков Pop III. Если в ближайшие несколько лет будет опубликована работа, описывающая это открытие, то данная статья, вероятно, станет одной из ее основных ссылок или источников вдохновения.