Сверхмассивные звезды создали древнейшие скопления во Вселенной

Слева — художественное представление шарового скопления в период его формирования, содержащего сверхмассивные звезды с мощными звездными ветрами, которые обогащают скопление элементами, образовавшимися при экстремально высоких температурах. Справа — древнее шаровое скопление в его современном виде: сохранившиеся маломассивные звезды несут следы ветров тех сверхмассивных звезд, которые с тех пор коллапсировали в черные дыры промежуточной массы. Автор: Фабиан Боденштайнер; фон: изображение шарового скопления Омега Центавра в Млечном Пути, полученное камерой WFI в обсерватории ESO Ла Силья.

Международная команда под руководством исследователя ICREA Марка Гилеса из Института космических наук Университета Барселоны разработала модель, показывающую, как сверхмассивные звезды (СМЗ) массой более чем в 1000 раз превышающей массу Солнца управляли рождением и ранней эволюцией древнейших звездных скоплений во Вселенной.

Исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, раскрывает, как эти недолговечные звездные гиганты глубоко повлияли на химический состав шаровых скоплений — одних из самых древних и загадочных звездных систем в космосе.

Шаровые скопления: древние архивы Вселенной

Шаровые скопления — это плотные сферические группы из сотен тысяч или миллионов звезд, встречающиеся почти во всех галактиках, включая Млечный Путь. Большинству из них более 10 миллиардов лет, что указывает на их формирование вскоре после Большого взрыва.

Их звезды демонстрируют загадочные химические сигнатуры, такие как необычное содержание гелия, азота, кислорода, натрия, магния и алюминия, которые десятилетиями не поддавались объяснению. Эти «множественные популяции» указывают на сложные процессы обогащения во время формирования скоплений.

Новая модель формирования скоплений

Новое исследование основано на модели звездообразования, известной как модель инерционного притока, расширяя ее до экстремальных условий ранней Вселенной. Исследователи показывают, что в самых массивных скоплениях турбулентный газ естественным образом порождает сверхмассивные звезды массой от 1000 до 10 000 солнечных масс. Эти СМЗ выпускают мощные звездные ветры, богатые продуктами высокотемпературного горения водорода, которые затем смешиваются с окружающим чистым газом и формируют химически отличные звезды.

«Наша модель показывает, что всего несколько сверхмассивных звезд могут оставить долговременный химический отпечаток на всем скоплении, — говорит Марк Гилес. — Это наконец связывает физику формирования шаровых скоплений с химическими сигнатурами, которые мы наблюдаем сегодня».

Этот процесс происходит быстро — в течение 1-2 миллионов лет — до того, как взорвется любая сверхновая, гарантируя, что газ в скоплении остается свободным от загрязнения сверхновыми.

Новое окно в раннюю Вселенную и черные дыры

Авторы предполагают, что богатые азотом галактики, обнаруженные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), вероятно, доминируются шаровыми скоплениями, богатыми СМЗ, сформированными на ранних стадиях образования галактик.

«Сверхмассивные звезды, возможно, сыграли ключевую роль в формировании первых галактик, — добавляет Паоло Падоан из Дартмутского колледжа. — Их светимость и химическое производство естественно объясняют обогащенные азотом протогалактики, которые мы теперь наблюдаем в ранней Вселенной с помощью JWST».

Эти колоссальные звезды, вероятно, заканчивают свою жизнь, коллапсируя в черные дыры промежуточной массы (более 100 солнечных масс), которые могут быть обнаружены по сигналам гравитационных волн.

Шаровые скопления содержат одни из самых старых звезд в нашей галактике, их возраст превышает 12 миллиардов лет. Изучение их химического состава позволяет астрономам заглянуть в условия, существовавшие во Вселенной в первую миллиард лет после Большого взрыва.