Космические исполины: «чудовищные звезды» ранней Вселенной проливают свет на тайну сверхмассивных черных дыр

Учёные, работающие с космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), обнаружили первые свидетельства существования «чудовищных звёзд» в ранней Вселенной. Это открытие даёт новые ключи к разгадке того, как сверхмассивные чёрные дыры смогли вырасти до гигантских размеров всего через миллиард лет после Большого взрыва.

Команда обнаружила следы этих колоссальных звёзд — каждая массой от 1000 до 10 000 солнечных — в галактике GS 3073, которая сформировалась примерно через миллиард лет после начала Вселенной. Считается, что именно подобные звёзды-монстры привели к образованию первых сверхмассивных чёрных дыр.

Исследование, проведённое учёными из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и Университета Портсмута (Великобритания), было опубликовано 12 ноября в Astrophysical Journal Letters.

«Наше новое открытие помогает разгадать 20-летнюю космическую загадку, — заявил соавтор работы Дэниел Уолен из Института космологии и гравитации Портсмута. — Эти космические гиганты ярко горели очень недолго, а затем коллапсировали в массивные чёрные дыры, оставив после себя химические сигнатуры, которые мы можем обнаружить спустя миллиарды лет».

«Подобно динозаврам на Земле, они были огромными и примитивными, — добавил Уолен. — И их жизнь была короткой, всего около четверти миллиона лет — мгновение по космическим меркам».

Значение этого исследования заключается в возможности изучения первого поколения звёзд, а также в буквальном «освещении» «космических тёмных веков» — периода, когда зажглись первые звёзды и начала меняться химия Вселенной.

Уникальный химический след
Звёзды в галактике GS 3073 продемонстрировали необычное и «экстремальное» соотношение азота к кислороду (0,46), которое не характерно для обычных звёзд или звёздных взрывов. Однако этот химический след совпал с предсказаниями теоретических моделей, описывающих «первичные звёзды в тысячи раз массивнее нашего Солнца», как отметил соавтор исследования Девеш Нандал, постдок Института теоретических и вычислительных исследований CfA.

Как эти звёзды произвели так много азота? Исследователи описали трёхэтапный процесс. Звёзды постоянно «сжигают» элементы в своих ядрах. По мере того как гигантские звёзды в GS 3073 сжигали гелий, в результате реакций образовывался углерод. Со временем углерод начал проникать во внешнюю оболочку звезды, где горел водород. В этой оболочке углерод и водород смешивались, создавая азот.

Образовавшийся азот конвективными потоками внутри звезды распределялся по всему её объёму. Со временем азот покидал звезду и рассеивался в космосе. В случае с GS 3073 этот процесс длился миллионы лет.

«Исследование также показало, что этот азотный след появляется только в определённом диапазоне масс, — отметили учёные. — Звёзды менее 1000 или более 10 000 солнечных масс не производят нужного химического паттерна, что указывает на существование «золотой середины» для этого типа химического обогащения».

Разгадка тайны чёрных дыр

Основываясь на своих моделях, исследователи также предположили, что, подходя к концу своей жизни, эти звёзды-монстры не взрываются как сверхновые. Вместо этого происходит масштабный коллапс, в результате которого рождаются одни из самых ранних сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной.

В пользу этой гипотезы говорит и то, что в центре галактики GS 3073, по-видимому, находится активно поглощающая вещество чёрная дыра, «потенциально являющаяся прямым остатком одной из таких сверхмассивных первозвёзд», как отмечается в заявлении. «Если это подтвердится, мы разгадаем две тайны сразу: происхождение азота и механизм формирования чёрной дыры».

Происхождение первых сверхмассивных чёрных дыр остаётся одной из величайших загадок астрофизики. Некоторые теории предполагают, что они коллапсировали непосредственно из сверхплотных газовых облаков вскоре после Большого взрыва, а затем вокруг них формировались галактики. Другие теории указывают на более экзотические объяснения, такие как взаимодействия с тёмной материей или коллапс звёзд-монстров. В конечном счёте, для решения этой древней головоломки потребуются дальнейшие исследования.

Перспективы и значение открытия

Это открытие «Джеймса Уэбба» знаменует прорыв в понимании эпохи реионизации — периода, когда первые звёзды и галактики начали наполнять Вселенную светом, рассеивая первичный туман. Обнаружение реальных химических следов звёзд первого поколения, предсказанных только теоретически, подтверждает правильность современных космологических моделей.

Дальнейшие наблюдения за подобными галактиками с помощью JWST позволят определить, насколько распространёнными были такие звёзды-исполины и какую роль они сыграли в формировании химического состава ранней Вселенной. Понимание их жизненного цикла — от рождения до коллапса в чёрную дыру — критически важно для построения полной картины эволюции галактик и крупномасштабной структуры космоса. Таким образом, GS 3073 служит уникальной природной лабораторией, позволяющей заглянуть в самую юность мироздания.