Спросите Итана: почему первые звёзды гораздо крупнее даже самых больших сегодняшних?


Представление художника о том, как могла выглядеть Вселенная, где впервые формировались звёзды. Звёзды могут набирать сотни и даже тысячи солнечных масс, что может привести к относительно быстрому появлению чёрной дыры с такой массой, которой обладают известные нам первые квазары.

Если разместить в одном месте достаточно массы, дать гравитации достаточно времени для того, чтобы она сжалась и организовала коллапс, в итоге обязательно получится звезда. Если собрать вместе достаточно большое облако материи, получится большое звёздное скопление, с большим разнообразием масс, цветов и температур. Однако заглядывая в самые ранние времена, мы склонны ожидать, что большая часть тогдашних звёзд будет гораздо больше и массивнее сегодняшних. Почему? Именно это хочет узнать наш читатель:

Не понимаю, почему металличность звёзд влияет на их размер. Я спрашиваю, потому что в одной из ваших статей вы писали, что в начале развития Вселенной могли существовать звёзды массой почти в 1000 раз больше солнечной, поскольку они на 100% состояли из водорода и гелия.

Довольно сложно принять эту теорию, поскольку за это время изменился только состав элементов, из которых состоят звёзды.


В фотосфере мы можем наблюдать свойства, элементы и спектральные особенности внешних слоев Солнца. Самые первые звёзды, скорее всего, имели не такой состав, как у нашего Солнца, поскольку их строительные блоки создавались во время Большого взрыва, а не предыдущими поколениями звёзд.

Изучая звёзды, похожие на Солнце, мы можем обнаружить свидетельства наличия в них огромного количества элементов со всей периодической таблицы Менделеева. Во внешних слоях звезды элементы обнаруживаются по линиям поглощения. Когда электроны в атомах сталкиваются с фотонами, они могут взаимодействовать только с теми из них, кто обладает определённым количеством энергии, соответствующим атомным переходам этого элемента. И в одном только Солнце можно найти огромное количество элементов.


Спектр видимого света Солнца, помогающий нам узнать не только его температуру и ионизацию, но и изобилие присутствующих в нём элементов. Длинные толстые линии – это водород и гелий, но каждая вторая из линий принадлежит тяжёлому элементу, появившемуся в звезде предыдущего поколения, а не во время горячего Большого взрыва.

Но если Солнце родилось с содержанием 70% водорода, 28% гелия и 2% более тяжёлых элементов, самые первые звёзды должны были состоять только из водорода и гелия на 99,9999999%. Всё потому, что эти тяжёлые элементы появляются исключительно в ядерных реакциях, которые во Вселенной происходят только двумя путями:

  1. В первые несколько минут после Большого взрыва,
  2. В ядрах звёзд и в звёздных останках.

Когда во Вселенной впервые появились протоны и нейтроны, она произвела ядерный синтез, и получила из них водород, дейтерий, гелий-3, гелий-4 и очень ограниченное количество лития-7.


Предсказанное изобилие гелия-4, дейтерия, гелия-3 и лития-7 во время нуклеосинтеза Большого взрыва, наблюдения отмечены красными кругами. Вселенная на 75-76% состоит из водорода, на 24-25% из гелия, немного из дейтерия и гелия-3, и содержит остаточные количества лития. Первые звёзды Вселенной будут состоять исключительно из этой комбинации элементов, и больше не из чего.

А всё остальное? Оно появилось позже, многие миллионы или миллиарды лет спустя. Это значит, что самые первые звёзды практически не содержали тяжёлых элементов: только водород и гелий, в пропорции порядка 75/25 (по массе).

Со временем межзвёздное пространство, откуда происходит газ, порождающий звёзды, всё больше и больше обогащается новыми поколениями живущих и погибающих звёзд, причём звёзды с самой большой массой погибают первыми. Процентное соотношение этих элементов (тяжелее гелия) к чистому водороду (или к сумме водорода с гелием, в зависимости от метода измерения) известно, как металличность, поскольку астрономы называют все элементы, кроме водорода и гелия, “металлами”.


Туманность Орёл, известная происходящим в ней формированием звёзд, содержит огромное количество глобул, или тёмных туманностей, которые пока не испарились, и идут к тому, чтобы сколлапсировать и сформировать новые звёзды перед тем, как полностью исчезнуть. Звёзды, появившиеся первыми, соревнуются со всем остальными комками материи, кто быстрее поглотит газовый материал до того, как он испарится.

В современной Вселенной при формировании новых звёзд они появляются с самыми разными массами: от 0,08% солнечной массы до 260-300 солнечных масс. Нижний предел задаётся порогом, при котором можно зажечь истинный синтез из водорода, поскольку для превращения водорода в гелий необходимо набрать именно столько массы и повысить температуру до 4 млн К. С верхним пределом всё немного сложнее.

Конечно, для появления крупнейших звёзд требуется много массы и материала, но во Вселенной полно регионов звёздного формирования с большим количеством массы. Только в Большом Магеллановом Облаке, к примеру, прямо в нашей местной группе галактик, существует регион формирования звёзд 30 Doradus в туманности Тарантул. Его суммарная масса равняется 400 000 солнечным, и там находятся одни из самых массивных, горячих и голубых молодых звёзд в известной Вселенной.


Регион формирования звёзд 30 Doradus в туманности Тарантул, одной из галактик-спутников Млечного пути, содержит крупнейшие, самые массивные звёзды из известных человечеству. Самая крупная из них, R136a1, имеет массу около 260 солнечных; свет этих горячих, новых, ярких звёзд преимущественно голубой.

Но и у них есть предел в 250-260 солнечных масс, поскольку формирование звезды – это гонка трёх соперничающих процессов:

  1. Гравитации, работающей на стягивание всего вокруг внутрь участков повышенной плотности, причём изначально наиболее плотные участки растут быстрее всего.
  2. Давления излучения, исходящего от коллапсирующей материи, ядерного синтеза и существующих звёзд, раздувающего материю, продолжающую падать внутрь.
  3. Охлаждения через излучение – способность протозвёзд излучать энергию вовне, что позволяет звезде охлаждаться и поглощать больше массы за меньшее время.

У звёзд есть ограниченное время на накопление массы до того, как формирующий звезду материал разбросает в стороны. Поэтому для формирования сверхмассивной звезды необходимо стать массивной как можно быстрее.


Регион формирования звёзд NGC 2174 демонстрирует туманность, нейтральную материю и наличие внешних элементов при испарении газа.

Оплатите подписку, и реклама отключится

В современной Вселенной гравитация работает так же, как и в ранней. То же касается давления излучения: появляются звёзды, материя коллапсирует, ядерный синтез работает, и т.д., и это не зависит от того, сколько тяжёлых элементов имеется у вас в наличии.

А вот третий компонент – способность протозвезды охлаждаться – как раз и отличает звёзды без металлов от звёзд с металлами. По сути, отличие в том, что более тяжёлые элементы, с большим количеством протонов и нейтронов в ядрах, способны поглощать, излучать и уносить больше энергии, чем лёгкие. Проще говоря, большее количество металлов означает более сильное охлаждение с большей скоростью.


Иллюстрация того, как во Вселенной зажигались первые звёзды. Без металлов, охлаждающих звёзды, только самые крупные комки материи внутри облаков большой массы могут стать звёздами.

Так почему же ранним звёздам, свободным от металлов, можно быть тяжелее звёзд, формирующихся сегодня? Это кажется контринтуитивным – однако причина в том, что металлы, и тяжёлые элементы, более эффективно охлаждают материю и формируют пылевые ядрышки. Без них способов охладить газ, формирующий звёзды, остаётся меньше. И вместо охлаждения через излучение, исходящее от разнообразных элементов и от комочков пыли, мы имеем только молекулы водорода H2, которых и так мало, и электронное охлаждение.

Чтобы газ охладился и сформировал звёзды, временная шкала охлаждения должна быть меньше шкалы коллапса. Это значит, что необходимо набрать больше массы, чтобы она сколлапсировала и породила звёзды, из-за чего флуктуации плотности происходят меньше, а в небольших регионах, в которых могут появляться звёзды меньшей массы, коллапса вообще не происходит.


Иллюстрация CR7, первой обнаруженной галактики из тех, где должны существовать звёзды населения III: первые из появившихся во Вселенной звёзд. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба покажет нам реальное изображение этой галактики и других подобных.

В ранней Вселенной звёзды могут породить только очень большие облака газа; только эти чрезвычайно массивные комки имеют такую возможность. Но чем массивнее комок, тем проще ему породить более массивные звёзды, и собрать больше материи. Гравитация – это поезд, катящийся под откос, поскольку, чем больше массы она собирает на раннем этапе, тем быстрее она вырастает, собирая ещё больше массы. Без большого количества малых комков или малого количества крупных комков, считается, что типичная масса звёзд на ранних этапах должна составлять порядка 10 солнечных, в отличие от сегодняшнего среднего значения в 0,4 солнечных.


Представление художника о том, как могла выглядеть Вселенная во время формирования первых звёзд. Они светились и объединялись, и в процессе испускали электромагнитное и гравитационное излучение.

Иначе говоря, “средняя” первая звезда в 25 раз массивнее “средней” современной звезды, поскольку она формировалась из более крупных комков газа, чем мы можем увидеть сегодня во Вселенной!

Когда звёзд меньше, но их массы в среднем больше, распределение масс должно быть другим. Мы даже придумали ему название: сегодняшнее распределение масс появилось после Солпитерского распределения масс; однако, считается, что первые звёзды соответствовали т.н. верхне-тяжёлой начальной функции масс.


Первые звёзды и галактики во Вселенной были окружены нейтральными атомами водородного (по большей части) газа, поглощающего звёздный свет. Без охлаждающих их металлов, излучающих энергию вовне, звёзды могли появиться только в самых насыщенных массой регионах.

Чем крупнее регион формирования звёзд, тем больше массы связывается в более массивных звёздах. Без тяжёлых металлов не будет пыли, охлаждающей комки, что означает, что мелкие комочки вымываются в пространство и не превращаются в звёзды. Только у наиболее крупных комков в наибольших скоплениях есть шанс, что ведёт к появлению сверхмассивных звёзд с меньшей конкуренцией при сборе массы, по сравнению с даже самыми массивными сегодняшними звёздами. Более массивные звёзды появляются не просто из-за наличия или отсутствия тяжёлых элементов, но из-за того, что звёзды без металла могут формироваться только в чрезвычайно массивных регионах, и в этих регионах будут доминировать наиболее массивные и быстрорастущие комки материи.

Поэтому мы считаем, что среди самых первых звёзд наиболее крупные могли достигать 1000 солнечных масс. Если вы интересовались тем, как у нас так быстро появились такие гигантские сверхмассивные чёрные дыры – эту загадку тоже могут решить свободные от металлов поколения звёзд!

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,043 просмотров всего, 5 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Облака Оорта вокруг других звёзд должны быть видны в реликтовом излучении... Десятилетиями учёные строили теории по поводу того, что на краю Солнечной системы, на расстоянии до 50 000 а.е. (0,79 светового года) от Солнца находится массивное облако ледяных планетезималей, и...
Какие сведения о Вселенной может дать нам лунное затмение... Во время большинства лунных затмений за частичным затмением начинается тёмно-красная полоса, накрывающая Луну с одного края, но при этом одна её часть всегда остаётся ярче и белее другой. Частичные ...
Астрономы находят огромное количество миров с жидкой водой... С момента подтверждения открытия первой экзопланеты в 1992 году астрономы нашли уже тысячи миров, существующих за пределами нашей Солнечной системы. Поскольку теперь новые экзопланеты открываются ...
Что происходит при столкновении планет, звёзд и чёрных дыр?... Столкновение двух нейтронных звёзд – основной источник многих из тяжелейших элементов периодической таблицы во Вселенной. При таком столкновении выбрасывается 3-5% массы; всё остальное превращается...