«Звезды-монстры», возможно, наконец-то были замечены на заре времен

Одной из величайших загадок, для исследования которых был создан космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), было рождение сверхмассивных черных дыр (СМЧД).

Более двадцати лет астрономы ломали голову над тем, как эти гравитационные чудовища, весящие от миллионов до миллиардов солнечных масс, могли существовать менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Согласно наиболее широко распространенным космологическим моделям, у массивных черных дыр не было достаточно времени, чтобы сформироваться в результате обычных процессов формирования и слияния черных дыр.

Недавние наблюдения поставили под сомнение эти модели и подтвердили альтернативную гипотезу о том, что «зародыши» сверхмассивных черных дыр образовались непосредственно из коллапсирующих облаков космического газа, известных как черные дыры прямого коллапса. (DCBH).

По теме: Это могло быть первым засвидетельствованным рождением сверхмассивной черной дыры.

Единственная альтернатива состоит в том, что в ранней Вселенной существовали звезды (звезды Населения III), которые были достаточно массивными, чтобы оставить после себя массивные черные дыры.

Используя JWST, международная группа нашла первые доказательства, подтверждающие теорию о том, что «звезды-монстры» из 1000 В ранней Вселенной существовало 10 000 солнечных масс.

Команду возглавлял Девеш Нандал, научный сотрудник Швейцарского национального научного фонда из Университета Вирджинии и Института теории и вычислений (ITC) Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики (CfA).

К нему присоединился Дэниел Уэлен, старший преподаватель космологии в Институте космологии и Гравитация (ICG) в Портсмутском университете; Мухаммад А. Латиф, астрофизик из Университета Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭУ), и Александр Хегер, исследователь из Школы физики и астрономии Университета Монаша.

С помощью JWST команда исследовала химические характеристики в GS 3073, галактике, первоначально идентифицированной в 2022 году Латифом, Уэйленом и коллегами из Института астрономии (IfA) Эдинбургского университета. Эксетер и Центр астрономии и астрофизики Герцберга.

В то время команда первооткрывателей отметила чрезвычайное соотношение азота и кислорода (0,46); намного выше, чем можно было бы объяснить любым известным типом звезды или звездным взрывом. Это привело их к предположению, что первые звезды во Вселенной, известные как Население III, образовались из турбулентных потоков холодного газа через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Они также отметили, что GS 3073 содержит в своем центре активно питающуюся черную дыру, которая может быть остатком одной из этих «звезд-монстров». Они утверждали, что существование такого звездного объекта могло бы объяснить, почему Уэбб обнаружил несколько квазаров, существовавших менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

Это явление, также известное как активные галактические ядра (AGN), вызывается сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, которые ускоряют падающий газ и пыль почти до скорости света. Это приводит к высвобождению огромного количества энергии, в результате чего область ядра временно затмевает все звезды диска.

Сказал Нандал в пресс-релизе Портсмутского университета:

Химическое изобилие действует как космический отпечаток пальца, а структура GS3073 не похожа ни на что, что могут создать обычные звезды. Его экстремальный уровень азота соответствует только одному известному нам источнику — первичным звездам, которые в тысячи раз массивнее нашего Солнца.

Это говорит нам о том, что первое поколение звезд включало в себя действительно сверхмассивные объекты, которые помогли сформировать ранние галактики и, возможно, зародили сегодняшние сверхмассивные черные дыры.

Чтобы проверить эту теорию, Латиф, Уэйлен и их команда смоделировали, как звезды из 1000 человек Будут развиваться 10 000 солнечных масс и какие химические вещества они будут производить. Это позволило им определить конкретный механизм, который мог бы объяснить соотношение азота и кислорода, наблюдаемое в GS3073.

Все начинается с того, что звезды-монстры синтезируют гелий в своих ядрах с образованием углерода, который просачивается в окружающую оболочку, где происходит синтез водорода. Оказавшись там, углерод соединяется с водородом, образуя азот, который распространяется по звезде конвекционными потоками и в конечном итоге выбрасывается в космос.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока гелий синтезируется в ядре (в течение миллионов лет), обогащая газовое облако, окружающую окружающую среду, пока не будет соблюдено соотношение азота и кислорода. Модель команды также предполагает, что эти звезды-монстры не взрываются как сверхновые в конце своего жизненного цикла, а коллапсируют непосредственно в массивные черные дыры, которые являются «семенами» сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня.

Они также обнаружили, что эта азотная сигнатура не встречается у звезд, которые меньше или больше, чем звезды в этом диапазоне масс. В случае подтверждения эти звезды объяснят две загадки, возникшие в результате предыдущих наблюдений Уэбба.

Более того, эти открытия дают новое представление о Вселенной в том виде, в котором она существовала между 380 000 и 1 миллиардом лет после Большого взрыва – так называемых «космических темных веков».

До недавнего времени эта космологическая эпоха была недоступна астрономам, потому что свет этого периода слишком слаб для наблюдения с помощью обычных инструментов, требующих передовых инфракрасных технологий. оптика, подобная той, что используется JWST. Исследователи предсказывают, что в будущих исследованиях появится больше галактик с аналогичным избытком азота, что позволит ученым продолжить изучение потенциального существования звезд-монстров.

«Наше последнее открытие помогает разгадать 20-летнюю космическую загадку», — сказал Уэлен. «Благодаря GS 3073 мы получили первые наблюдательные доказательства существования этих звезд-монстров. Эти космические гиганты ярко горели бы в течение короткого времени, прежде чем схлопнуться в массивные черные дыры, оставив после себя химические следы, которые мы можем обнаружить миллиарды лет спустя».

«Это немного похоже на динозавров на Земле – они были огромными и примитивными. И у них была короткая жизнь, всего четверть миллиона лет – космическое мгновение».

Эта статья была первоначально опубликована в журнале Universe Today. Прочтите оригинал статьи.