Звезды образуются из диффузной космической материи, сгустившейся под действием сил гравитации. В общих чертах этот механизм был ясен еще Ньютону, что следует из датированного 1692 годом письма, адресованного филологу Ричарду Бентли. Разумеется, современная наука сильно обогатила ньютоновское объяснение. В начале прошлого века британский астрофизик Джеймс Джинс доказал, что газовое облако коллапсирует лишь в том случае, если его масса превышает определенный предел. Когда газ стягивается к центру облака, возрастает его давление и возникают звуковые волны, распространяющиеся к периферии. Если их скорость меньше скорости гравитационного стягивания газа, облако продолжает коллапсировать, увеличивая плотность вещества в центральной зоне. Поскольку скорость звука пропорциональна квадратному корню температуры, а темп гравитационного сжатия возрастает вместе с массой, газовое облако коллапсирует тем легче, чем оно холоднее и тяжелее.
В космологии есть четыре основные шкалы расстояний, основанные на яркости объектов (Luminosity Distance, DL), угловых размерах (Angular Diameter Distance, DA), времени прохождения света (Light Travel Time Distance, DT), а также сопутствующая шкала (Comoving Distance, DC). Для расстояний менее 2 млрд св. лет эти шкалы совпадают.
DL В расширяющейся Вселенной далекие галактики выглядят гораздо более тусклыми, чем в стационарной, потому что фотоны испытывают красное смещение и «размазываются» по большему пространству. DA Галактики на самом краю видимой Вселенной выглядят так же, как 13 млрд лет назад. Но когда свет от них начал свой путь к нам, они были не только моложе, но и гораздо ближе. Поэтому далекие галактики выглядят значительно более крупными, чем можно было бы ожидать. DC Сопутствующая шкала расширяется вместе с нашей Вселенной. Она указывает, где находятся далекие объекты в данный момент (а мы видим Вселенную более молодой). DT Эта шкала основана на времени прохождения света от далеких галактик до земного наблюдателя. Она одновременно показывает и расстояние, и возраст далеких галактик.
ЧЕТЫРЕ ШКАЛЫ
Во времена юной Вселенной в возрасте нескольких десятков миллионов лет космический газ состоял из водорода (76% массы) и гелия (24%), образовавшихся через несколько минут после Большого взрыва (плюс совсем немного лития). Его температура не особенно отличалась от температуры реликтового микроволнового излучения, которая к тому времени составляла около 100 К. Пространство было заполнено и темной материей, плотность которой тогда была довольно высока (сейчас из-за расширения Вселенной она в десятки раз меньше). Темная материя, как и обычная, служит источником тяготения и потому вносит вклад в полную гравитационную массу газовых облаков. В этих условиях масса Джинса составляет примерно 105 солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли родиться первые звезды. Для контраста следует отметить, что звезды нашей Галактики, в том числе и Солнце, появились на свет без всякой помощи темной материи.
Роль темной материи в запуске процесса звездообразования исключительно важна. Ионизированный водородно-гелиевый газ, заполнявший пространство вплоть до эпохи возникновения нейтральных атомов (около 400 000 лет после Большого взрыва), был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность всюду была практически одинакова. Если бы еще и темная материя равномерно распределялась по космическому пространству, то локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось. Этому помешали флуктуации квантовых полей, породившие частицы темной материи в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку она не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа. Темная материя не только обеспечивала формирование первичных газовых облаков, но и влияла на их последующий коллапс. Она создавала гравитационные конверты, внутри которых обычный газ закручивался приливными силами и превращался в тонкий вращающийся диск. Так формировались протогалактики, окруженные оболочками (гало) из темной материи. Локальные уплотнения внутри диска давали начало отдельным звездам. Но это еще не полная картина. Поскольку уплотняющийся газ нагревается, его давление растет и противодействует дальнейшему коллапсу. Чтобы коллапс не прекратился, газ должен охладиться. Для звезд, формировавшихся в нашей Галактике, в том числе и для Солнца, это не составляло проблемы. В те времена космическая среда уже содержала частицы пыли и отдельные многоэлектронные атомы (скажем, азота, углерода и кислорода). При столкновениях они легко излучали фотоны и теряли энергию, вследствие чего температура газовой среды упала до 10-20 К. У первичных облаков такого выхода не было, и они могли терять температуру лишь за счет излучения атомарного и молекулярного водорода. Но атомарный водород служит эффективным охладителем лишь при нагреве свыше 10 000 К, а первичные облака были много холоднее. Процесс звездообразования спасали двухатомные молекулы водорода, теряющие энергию уже при нескольких сотнях кельвинов. По всей вероятности, они возникли благодаря столкновениям атомов водорода со свободными электронами, которых в космическом пространстве вполне хватало (электроны лишь катализировали эту реакцию и потому сами не расходовались).
Когда зажглись первые звезды, не знает никто, но некоторые специалисты полагают, что это могло произойти всего через 30 млн лет после Большого взрыва. Не исключено, что в будущем эту дату пересмотрят, однако есть все основания утверждать, что в возрасте 100 млн лет Вселенная уже обладала звездными популяциями. Звезды-пионеры были законченными эгоистами. Они заливали окружающее пространство жестким ультрафиолетом, легко разрушающим молекулы водорода, и тем самым препятствовали возникновению новых звезд. Однако своим излучением (особенно рентгеном) они постоянно подогревали окружающее пространство. Поэтому космический газ постепенно прогрелся до температур, при которых на холодильную вахту заступил атомарный водород, и процесс звездообразования возобновился. Более того, этот процесс усилился, поскольку атомарный водород при температурах свыше 10 000 К излучает больше энергии, нежели молекулярный. Вторая стадия интенсивного формирования звезд популяции III имела место внутри самых ранних галактик, которые были еще очень мелкими (по современной классификации — карликовыми).
Дозвездная Вселенная не отличалась сложностью. Ее состояние описывают всего лишь несколько космологических параметров — в частности, плотность различных форм материи и температура реликтового излучения. Новорожденные звезды одновременно исполняли роль мощных источников электромагнитных волн и фабрик химических элементов. Хотя жизненный срок первых светил был недолгим, они качественно изменяли космическую среду. Первые звезды вспыхивали в зоне повышенной плотности газовых частиц, образовавшихся в ходе гравитационного коллапса облаков барионной и темной материи с массой порядка 10 5 — 10 6 солнечных масс. Естественно, существуют разные сценарии звездообразования (их можно обсчитать на суперкомпьютере, хотя и не полностью), но в целом все модели сходятся в том, что в ходе фрагментации первичных облаков внутри гало из темной материи формировались сгустки газа, тянущие на несколько сотен солнечных масс. Эта величина соответствует массе Джинса для температуры около 500 К и плотности газа порядка 10 000 частиц на 1 см 3 . Поэтому вскоре после формирования газовые сгустки теряли устойчивость и претерпевали гравитационный коллапс. Их температура возрастала весьма умеренно благодаря охлаждающему действию молекулярного водорода. В конечном счете они превращались в аккреционные диски, в которых и родились первые звезды. До недавнего времени считали, что коллапсирующий сгусток с подобными параметрами больше не распадается и становится родоначальником единственной звезды. Вычисления, основанные на оценке темпов аккреции газа к центру диска, показывают, что масса таких звезд не могла быть больше 1000 солнечных масс. Это теоретическая верхняя граница, и пока не ясно, действительно ли существовали подобные сверхгиганты. Согласно консервативным оценкам, звезды первого поколения не были тяжелее 300, максимум 500 солнечных масс. Нижний предел массы этих звезд задается тем, что молекулярный водород способен снизить температуру облака только до 200 К, и потому звезда, не дотягивающая до 30 масс Солнца, просто не может родиться. Поскольку первичные облака фрагментировались на множество локальных сгущений, первые звезды, скорее всего, возникали сериями численностью в сотни, тысячи (а то и больше) светил. Конечно, это были еще не галактики (те сформировались позднее), но все-таки вполне внушительные звездные сообщества.
Астрономы показали рождение первых звезд во Вселенной
Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета (Великобритания), космический рассвет, когда звезды сформировались впервые, произошел через 250–350 млн лет после возникновения Вселенной.
Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, коротко о нем рассказывает SciTech Daily.
«Теоретики предполагают, что Вселенная была темной в течение первых нескольких сотен миллионов лет, до образования первых звезд и галактик. Быть свидетелем того момента, когда во Вселенной впервые возник звездный свет, — это главная задача астрономии», — заявили авторы работы.
Для этого исследовательская группа изучила шесть самых далеких галактик, известных в настоящее время, свет которых шел к нам на протяжении большей части жизни Вселенной. Расстояние этих галактик от Земли составляет более 13 млрд световых лет, так что мы видим их такими, какими они были, когда Вселенной было всего 550 млн лет.
Анализируя изображения, полученные с космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер», исследователи подсчитали, что возраст этих галактик на тот момент, когда мы их видим, составляет от 200 до 300 млн лет. Это означает, что космический рассвет в них произошел, когда Вселенной было 250–350 млн лет (сейчас ее возраст составляет 13,8 млрд лет).
На видео показано образование и эволюция первых звезд и галактик в виртуальной вселенной, похожей на нашу. Моделирование начинается незадолго до космического рассвета, когда Вселенная лишена звездного света, и продолжается до эпохи через 550 млн лет после Большого взрыва, когда наблюдаются шесть галактик, проанализированных авторами исследования. Возраст Вселенной в миллионах лет показан в верхнем левом углу.
На вставке изображена эволюция галактики, подобной тем, что были рассмотрены в исследовании. Фиолетовые области показывают нитевидное распределение газа, состоящего в основном из водорода. Белые области представляют звездный свет, а желтые изображают энергичное излучение самых массивных звезд, которое способно ионизировать окружающий водородный газ.
По мере того как массивные звезды быстро достигают конца своей жизни, они вспыхивают мощными взрывами сверхновых, вытесняющих окружающий газ. Галактики, подобные показанной, постоянно притягивают материал из близлежащих более мелких систем и быстро растут.
«За последнее десятилетие астрономы отодвинули границы наблюдаемой Вселенной до пределов, когда Вселенной было только 4% от ее нынешнего возраста. Однако из-за ограниченной прозрачности атмосферы Земли и лимита возможностей космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер» мы достигли своего предела, — сообщили астрономы. — Сейчас мы с нетерпением ожидаем запуска космического телескопа «Уэбб», который, как мы полагаем, способен непосредственно засвидетельствовать космический рассвет».
Все более тяжелые элементы во Вселенной, кроме водорода, гелия и лития, синтезируются в звездах, а затем распространяются по Вселенной, когда звезды взрываются, завершив свой жизненный цикл. Эти элементы входят и в состав человеческого организма — например, кальций в костях и железо в крови. Таким образом, на видео мы наблюдаем очень дальнюю историю нашего собственного происхождения.
Источник
«Космический рассвет», или Когда появились первые звёзды
Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва. После первоначальной вспышки она прошла через период, известный как темные космические века. Согласно новому исследованию, через 250-350 миллионов лет после Большого взрыва появились первые звезды, принесшие свет в космос.
Большинство первых звезд сильно отличались от нашего Солнца. Они были более массивными и сжигали только водород. Но эти объекты создали следующее поколение звезд, которое привело к образованию более тяжелых элементов периодической таблицы.
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз, Лондонского университетского колледжа и Кембриджского университета проанализировали звездный свет от шести самых далеких из известных галактик с помощью телескопов «Хаббл» и «Спитцер» и оценили их возраст, определив долю водорода в атмосфере их звезд.
Водородная сигнатура усиливается с возрастом звездного населения, но уменьшается, когда возраст галактики превышает миллиард лет. Зависимость от возраста возникает из-за того, что более массивные звезды, которые вносят вклад в этот сигнал, быстрее сжигают свое ядерное топливо и поэтому умирают первыми.
При анализе данных исследователям необходимо было оценить «красное смещение» каждой галактики, которое указывает на их космологическое расстояние и, следовательно, время ретроспективного обзора, на котором они наблюдаются.
Чтобы достичь этого, они провели спектроскопические измерения, используя полный арсенал мощных наземных телескопов: Атакамской большой антенной решетки миллиметрового диапазона, Очень Большого Телескопа (VLT), а также телескопов обсерваторий Джемини и Кека.
Исследование показало, что первые звезды во Вселенной родились между 250 и 350 миллионами лет после Большого Взрыва. Первые галактики были достаточно яркими, чтобы их смог «увидеть» телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован в скором будущем.
«Сейчас мы с нетерпением ожидаем запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, который, как мы полагаем, способен непосредственно засвидетельствовать космический рассвет. Стремление увидеть этот важный момент в истории Вселенной было святым Граалем в астрономии на протяжении десятилетий. Поскольку мы сделаны из материала, обработанного в звездах, это в некотором смысле поиск нашего собственного происхождения», — говорит ведущий автор исследования Николас Ляпорт.
8 нетуристических мест заповедной Сибири
Петербургские тайны: путешествуем с Gett
Полеты во сне и наяву: экстремальные развлечения в новом шоппинг-молле Москвы
