Ученые нашли доказательства того, что редкие древние звезды взорвались сверхновыми звездами

Есть большая вероятность, что самые первые звезды образовались в первые 100 миллионов лет Вселенной, что составляет менее процента от текущего возраста. Эти первые звезды, известные как Население III, были настолько массивны, что когда эти звезды взорвались как сверхновые, они оставил характерную смесь тяжелых элементов в межзвездном пространстве. Хотя астрономы десятилетиями усердно искали эти первичные звезды, прямых доказательств их существования пока нет.

В рамках Международной обсерватории Близнецов, одного из двух идентичных телескопов NOIRLab Национального научного фонда, астрономы идентифицировали остатки звезды первого поколения на основе анализа одного из самых далеких известных квазаров. Обнаружение химического состава облаков, окружающих квазар, с помощью инновационного метода выявило необычный состав — материал содержал в десять раз больше железа, чем магния, чем наше Солнце.

Считается, что эта поразительная особенность является результатом взрыва сверхновой звезды с парной нестабильностью, которая взорвалась как звезда первого поколения. Никогда не было никаких видимых случаев этих удивительно мощных взрывов сверхновых. Тем не менее, предполагается, что они являются предсмертными агониями массивных звезд, которые весит от 150 до 250 раз больше Солнца.

Супер-Сверхновая

Взрывы сверхновых, вызванные нестабильностью пар, происходят, когда фотоны спонтанно превращаются в электроны и позитроны — положительно заряженные аналоги электрона из антивещества. Радиационное давление внутри звезды уменьшается из-за этого преобразования, что позволяет преобладать гравитации, а звезда коллапсирует и взрывается.

Это драматическое событие не оставляет никаких звездных остатков, как нейтронная звезда или черная дыра, а вместо этого выбрасывает весь свой материал в окружающее пространство. Поэтому найти их свидетельства можно только двумя способами. Во-первых, вы, возможно, сможете поймать сверхновую с нестабильностью пар, но это крайне маловероятно. Материал, который они выбрасывают в межзвездное пространство, также можно исследовать на предмет его химической сигнатуры.

Предыдущее наблюдение, сделанное 8,1-метровым телескопом Gemini North, Ближний инфракрасный спектрограф Gemini (GNIRS), был проанализирован для исследования, опубликованного в Астрофизический журнал. Разделяя свет, излучаемый небесными объектами, на составляющие его длины волн, спектрографы показывают, какие элементы присутствуют в объектах. Среди телескопов с подходящим оборудованием для таких наблюдений Gemini — один из самых мощных.

Яркость спектра зависит от других факторов, помимо распространенности каждого элемента, поэтому может быть трудно определить количество каждого присутствующего элемента.

Юзуру Ёсии и Хироаки Самешима, два соавтора анализа, разработали метод оценки содержания элементов в спектрах квазаров на основе интенсивности длин волн. Соотношение магния и железа в квазаре было обнаружено с помощью этого метода анализа его спектра.

Редкие древние звезды

«Я сразу понял, что сверхновая с парной нестабильностью от звезды населения III является кандидатом, поскольку вся звезда взрывается, не оставляя никаких остатков», — объяснил Йошии. «Я был рад и несколько удивлен, обнаружив, что парная нестабильность сверхновой звезды с массой примерно в 300 раз больше солнечной обеспечивает соотношение магния и железа, которое согласуется с низким значением, которое мы получили для квазара».

Предварительная идентификация массивной звезды населения III была сделана среди звезд в гало Млечного Пути в 2014 году. Йоши и его коллеги считают, что в результате чрезвычайно низкого отношения содержания магния к железу в этом квазаре новый результат самый убедительный признак того, что эта сверхновая была сверхновой с парной нестабильностью.

Это открытие может помочь заполнить картину того, как материя во Вселенной превратилась в то, чем она является сегодня, включая нас, если это действительно свидетельство одной из первых звезд и остатков сверхновой с парной нестабильностью. Однако для тщательной проверки этой интерпретации необходимы дополнительные наблюдения, чтобы убедиться, что другие объекты имеют те же характеристики.

Химические сигнатуры также можно найти ближе к дому. Например, химические отпечатки, оставленные массивными звездами населения III в их выброшенном веществе, могут сохраняться даже сегодня, хотя все они были бы давно уничтожены. В результате астрономы могут обнаружить сигнатуры давно минувших взрывов сверхновых в нашей локальной вселенной, которые были вызваны взрывами сверхновых с парной нестабильностью.

Как объяснил соавтор Тимоти Бирс из Университета Нотр-Дам: «Теперь мы знаем, что искать. «Если бы это произошло локально в очень ранней Вселенной, что должно было произойти, то мы ожидали бы найти доказательства этого».