Космические монстры, скрываются в сердце древних звездных скоплений

Космические монстры обитают в плотных звездных скоплениях, родившихся всего через несколько сотен миллионов лет после рождения Вселенной, предполагают новые наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Эти монстры — сверхмассивные звезды, признаки которых JWST обнаружил в шаровых скоплениях, родившихся около 13,4 миллиарда лет назад. Шаровые скопления есть почти в каждой галактике; наш собственный, Млечный Путь, содержит по крайней мере 180 из них.

Шаровые скопления не только являются самыми массивными и самыми древними звездными группами, часто содержащими до миллиона звезд, родившихся вместе уже через 440 миллионов лет после Большого взрыва, но и эти звезды могут демонстрировать аномалии, которых нет ни в каких других звездных коллекциях.

Например, звезды шаровых скоплений, как правило, демонстрируют высокие уровни вариаций состава, несмотря на то, что они родились вместе в одно и то же время из одного и того же коллапсирующего облака холодного газа и пыли. Соотношение кислорода, азота, натрия и алюминия варьируется от одной звезды к другой в шаровых скоплениях.

Объяснение этих так называемых «аномалий изобилия» стало серьезной проблемой для астрономов. Одно из возможных объяснений этой загадки, предложенное еще в 2018 году, заключается в том, что сверхмассивные звезды «загрязняют» исходное газовое облако по мере формирования шаровых скоплений. Это приводит к тому, что молодые звезды неравномерно обогащаются химическими элементами по мере их формирования.

Теперь группа исследователей объявила, что JWST обнаружил химические следы, свидетельствующие о том, что чудовищные звезды действительно скрываются в звездных скоплениях, тем самым предоставив первое наблюдательное свидетельство этой теории обогащения. «Сегодня, благодаря данным, собранным JWST, мы считаем, что нашли первый ключ к разгадке присутствия этих необычных звезд», — заявила ведущий автор исследования Коринн Шарбоннель, профессор астрономии Женевского университета в Швейцарии.

Эти сверхмассивные звезды в 5000–10 000 раз массивнее Солнца и имеют температуру 135 миллионов градусов по Фаренгейту (75 миллионов градусов по Цельсию) в своих ядрах по сравнению с 27 миллионами градусов по Фаренгейту (15 миллионов градусов по Цельсию) или около того в сердце. солнца. Но, несмотря на их устрашающие размеры и устрашающую температуру, этих звездных зверей не всегда легко найти.

Это потому, что они быстро сжигают свое топливо для ядерного синтеза и, следовательно, имеют короткую продолжительность жизни. «Шаровым скоплениям от 10 до 13 миллиардов лет, тогда как максимальная продолжительность жизни суперзвезд составляет два миллиона лет», — сказал в том же заявлении член команды Марк Гилес из Барселонского университета.

«Поэтому они очень рано исчезли из наблюдаемых в настоящее время скоплений. Остались только косвенные следы». Чтобы обнаружить признаки этих сверхмассивных звезд, исследовательская группа обратилась к инфракрасному видению JWST, чтобы попытаться поймать шаровые скопления в более ранние периоды их существования. Мощный космический телескоп увидел свет, излучаемый одной из самых далеких и самых ранних галактик, обнаруженных на сегодняшний день, GN-z11.

Галактика расположена примерно в 13,3 миллиардах световых лет от нас, и JWST видит ее такой, какой она была, когда ей было всего несколько десятков миллионов лет, что делает ее хорошим выбором в качестве охотничьего угодья для молодых шаровых скоплений.

Поскольку химические элементы поглощают и излучают свет на определенных частотах, спектр света от космических источников содержит «отпечатки пальцев», указывающие на состав небесных объектов.

Астрономы взяли свет от GN-z11, который увидел JWST, и разобрали его, обнаружив в процессе две ценные части информации. «Было установлено, что он [GN-z11] содержит очень высокие пропорции азота и очень высокую плотность звезд», — сказал член исследовательской группы Даниэль Шерер, профессор астрономии Женевского университета.

Эти факты предполагают, что несколько шаровых скоплений рождаются в GN-z11, как мы это видим, но также и то, что в этих скоплениях все еще находятся активные сверхмассивные звезды. Это связано с тем, что сильное присутствие азота можно объяснить только сгоранием водорода при чрезвычайно высоких температурах — температурах, которые могут быть достигнуты только в ядрах сверхмассивных звезд, сказал Шарбоннель.

Результаты подтверждают модель обогащения сверхмассивных звезд, предложенную командой для объяснения странного состава шаровых скоплений. Следующим шагом в этом исследовании будет изучение большего количества шаровых скоплений в далеких галактиках, наблюдаемых JWST, чтобы увидеть, сохраняются ли те же закономерности.