На переднем плане изображено художественное представление молодого шарового скопления, где доминируют экстремально массивные звезды. Их мощные звездные ветры активно обогащают окружающий космос элементами, обработанными при сверхвысоких температурах. Рядом представлено изображение древнего шарового скопления, каким мы видим его сегодня: уцелевшие маломассивные звезды хранят в себе химические следы этих древних звездных ветров. Сами же колоссальные звезды, ответственные за обогащение, давно коллапсировали, превратившись в черные дыры средней массы.
Международная группа ученых, возглавляемая исследователем ICREA Марком Гилесом из Института космических наук Университета Барселоны (ICCUB) и Института космических исследований Каталонии (IEEC), разработала новую модель. Эта модель позволяет понять, каким образом экстремально массивные звезды – объекты массой более чем в 1000 Солнц – формировали самые древние звездные скопления Вселенной и влияли на их раннее развитие.
Результаты этого новаторского исследования, опубликованные в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, показывают, что эти гигантские, хотя и короткоживущие звезды, играли критически важную роль в формировании химического состава шаровых скоплений. Последние, входящие в число старейших и наиболее загадочных звездных систем, известных астрономам, служат своеобразными «живыми ископаемыми» ранней Вселенной.
Шаровые скопления представляют собой плотно упакованные, сферические агломерации, содержащие от сотен тысяч до миллионов звезд. Они встречаются почти в каждой галактике, включая наш Млечный Путь. Большинству из них более 10 миллиардов лет, что убедительно указывает на их возникновение вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще совсем молода.
Звезды, расположенные внутри этих скоплений, демонстрируют необычный химический состав с неожиданными уровнями таких элементов, как гелий, азот, кислород, натрий, магний и алюминий. Эти загадочные вариации долгое время оставались неразрешенной головоломкой для астрономов. Они наводили на мысль о сложных процессах, которые должны были изменить химический состав газа, из которого первоначально формировались эти звезды, вероятно, с участием чрезвычайно горячих «загрязнителей».
Новое исследование расширяет существующую теорию, известную как модель инерционного притока, адаптируя ее к экстремальным условиям ранней Вселенной. Исследователи продемонстрировали, что в самых массивных звездных скоплениях турбулентные потоки газа могут естественным образом порождать экстремально массивные звезды с огромной массой – от 1000 до 10 000 солнечных масс. Эти звездные гиганты генерируют мощные ветры, насыщенные продуктами высокотемпературного слияния водорода. Затем эти ветры смешиваются с окружающим нетронутым газом, создавая последующие поколения звезд с отчетливыми химическими «отпечатками».
«Наша модель показывает, что всего несколько экстремально массивных звезд могут оставить долговечный химический отпечаток на всем скоплении, – объясняет Марк Гилес. – Это, наконец, связывает физику формирования шаровых скоплений с теми уникальными химическими сигнатурами, которые мы наблюдаем сегодня».
Исследователи Лаура Рамирес Галеано и Коринн Шарбоннель из Женевского университета добавляют, уточняя детали: «Было уже известно, что ядерные реакции в центрах экстремально массивных звезд могут создавать соответствующие образцы распространенности элементов. Теперь у нас есть модель, которая обеспечивает естественный путь для формирования этих звезд в массивных звездных скоплениях».
Важно отметить, что весь этот процесс происходит чрезвычайно быстро – всего за один-два миллиона лет – и завершается до того, как произойдут какие-либо взрывы сверхновых. Такая временная последовательность предотвращает загрязнение газа скопления материалом, выбрасываемым сверхновыми, что критически важно для точности наблюдаемых химических составов.
Полученные данные имеют значение далеко за пределами Млечного Пути. Авторы исследования предполагают, что богатые азотом галактики, обнаруженные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), вероятно, содержат шаровые скопления, в которых доминировали экстремально массивные звезды. Эти звезды формировались на самых ранних этапах эволюции галактик, внося свой вклад в их химический состав.
«Экстремально массивные звезды, возможно, сыграли ключевую роль в формировании первых галактик, – отмечает Паоло Падоан из Дартмутского колледжа и ICCUB-IEEC. – Их исключительная светимость и производство химических элементов естественным образом объясняют богатые азотом протогалактики, которые мы теперь наблюдаем в ранней Вселенной с помощью JWST».
Предполагается, что эти огромные звезды завершают свою жизнь путем гравитационного коллапса, превращаясь в черные дыры средней массы – объекты, весящие более 100 Солнц. Такие черные дыры потенциально могут быть обнаружены с помощью гравитационных волн, что открывает новые перспективы для их изучения.
В целом, данное исследование предлагает целостное и всеобъемлющее объяснение, связывающее процессы звездообразования, химического обогащения и возникновения черных дыр в ранней Вселенной. Оно убедительно указывает на то, что экстремально массивные звезды имели решающее значение для развития первых галактик, одновременно обогащая шаровые скопления уникальными элементами и давая начало первым черным дырам средней массы.
