2018-11-08 (№ 176) Открытие древнейшей звезды "состарило" наш регион Млечного Пути на три миллиарда лет
США, АВСТРАЛИЯ, 8 ноября, ВЕСТИ и портал МИР РЕКИ ВРЕМЕНИ.
Новая находка астрономов показала, что Земля расположена в гораздо более древней части Галактики, чем считалось ранее. Кроме того, открытие даёт надежду обнаружить звёзды, родившиеся сразу после Большого взрыва.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal группой во главе с Кевином Шлауфманом (Kevin Schlaufman) из Университета Джона Хопкинса в США.
Напомним, что первые атомы во Вселенной представляли собой водород, гелий и ничтожное количество лития, бериллия и бора. Все остальные химические элементы образовались благодаря звёздам. Синтез новых ядер происходил в раскалённых недрах светил, при взрывах сверхновых и в ходе некоторых других процессов.
Из вещества отгоревших звёзд, обогащённого тяжёлыми элементами, образовались новые светила. И так происходило несколько раз. Как считает большинство астрономов, Солнце – звезда третьего поколения.
СПРАВКА от ПОРТАЛА НАУКА РФ. В терминологии астрономии поколения звезд считаются в обратном порядке и, соответственно, первое поколение в статье ВЕСТЕЙ - это Pop-III. Прямой ошибки в тексте нет, это поколение действительно было первым, но у читателей, знакомых с астрономией как наукой может появиться вопрос - о чем идет речь. Достичь ясности может помочь фрагмент работы Шиховцева Е. Б. по нейтронным звездам на сайте МИР РЕКИ ВРЕМЕНИ .
Первые микрогалактики звёзд-гигантов: эпоха Pop-III
Около 200–400 млн. лет после Большого взрыва на месте нашей Галактики возникло скопление небольших первых галактик приблизительно сферической формы. Детали этого процесса как раз в наши дни интенсивно уточняются теоретиками, причём нередко очередное моделирование приводит к довольно радикальным изменениям общей картины. Так, долгое время считалось, что первые микрогалактики состояли, как правило, из массивных звёзд, в 100 раз и более превосходящих Солнце, очень ярких, быстро вращающихся вокруг оси*. Этих великанов называют Населением III (Population III, или просто Pop-III). Однако в конце 2011 года были обнародованы очередные уточнённые расчёты группы японских теоретиков**, которые показали, что УФ-излучение из зажегшейся звезды сильно разогревает окружающий газ, образуя горячий пузырь, который не подпускает к звезде новые порции газа, и это противоборство тяготения и излучения ограничивает максимальную массу звёзд Pop-III величиной ~43 солнечных массы. Теоретический расчёт они подкрепили указанием на то, что их открытие объясняет, почему при всех усилиях астрономов так и не было обнаружено химических следов древних звёзд-сверхгигантов: их просто не было!
Pop-III были не больше 43 Солнц?
Данные Хосокава с сотрудниками потребуют, очевидно, крупного пересмотра всей сложившейся с 2003 года картины эпохи первых звёзд*. Эта картина была заложена расчётами Гегера с сотрудниками, у которых получилось, что первые звёзды, полностью исчерпав своё ядерное горючее за несколько миллионов лет, кончают своё существование тремя разными способами, в зависимости от своей массы. Звёзды массой до 40 солнечных просто медленно остывают и теряют свою массу, выбрасывая в межзвёздную среду драгоценные семена будущей жизни – синтезированные из лёгких ядер водорода и гелия химические элементы; звёзды от 40 до 140 и свыше 260 солнечных масс схлопываются в чёрные дыры, забирая из видимой Вселенной весь свой элементный состав; и, наконец, звёзды с массами от 140 до 260 солнечных взрываются, сразу рассеивая все свои тяжёлые элементы по космосу (и будучи тем самым наиболее важными для дальнейшей звёздной эволюции)**.
Теперь о звёздах Pop-III с массами больше 43 солнечных можно почти забыть (очень небольшое их количество, возможно, всё же образовывалось при особых условиях в составе кратных звёздных систем). Но и звёзд массой намного меньше этого предела, очевидно, образовывалось не очень много, так как в условиях ранней Вселенной нет физических факторов, которые бы значимо ограничивали рост массы первых звёзд (даже после того, как в их ядре зажглась ядерная реакция): была бы только питающая среда в виде облаков газа, а этого неоприходованного гравитацией добра в том юном мире хватало!
Планеты эпохи Pop-III?
На холодной и разрежённой периферии газовых облаков размер джинсовской массы был порядка массы газовых планет Солнечной системы*, и это наводит на предположение, что кроме звёзд в том мире могли формироваться и планеты-гиганты. Часть их могла даже засветиться за счёт гравитационной энергии (по типу коричневых или субкоричневых карликов). Во всяком случае, недавно астрономами были получены данные о том, что в звёздных скоплениях газовые гиганты образуются быстро и эффективно, менее чем за 5 млн. лет.**
_________________
Смерть Pop-III – рождение нейтронных звёзд
Как бы то ни было, эпоха Pop-III пролетела как миг, потому что век этих гигантов был короток: ядерные реакции шли бурно, за ~1–5 млн. лет звезда выгорала начисто и... И тут, похоже, в свете новейших расчётов, остаётся не так много вариантов. Самые лёгкие из Pop-III, по-видимому, могли бы стать красными гигантами, а затем белыми карликами и медленно остывать. Судя по тому, что таковых не обнаружено (а им бы ничто не препятствовало дожить до наших дней), это либо судьба мизерной доли от всех звёзд эпохи Pop-III, либо вообще не реализуемый по каким-то физическим причинам вариант событий. Остальные должны были в конце жизни взрываться как сверхновые, разбрасывая по космосу до 90% и более своей массы. При этом большинство первых звёзд как нельзя лучше по своей массе подходят на роль родительниц наших главных героинь – нейтронных звёзд (если у них были ядра подходящей массы и состава). И, наконец, ядра самых тяжёлых Pop-III после взрыва сверхновой, очевидно, образовывали чёрные дыры. По имеющимся модельным расчётам, в дыру быстро засасывалось и практически всё выброшенное взрывом вещество оболочки звезды.
Pop-III создали тяжёлые элементы
В сложной связке ядерных, электромагнитных и гравитационных сил синтезированные трудами первых звёзд тяжёлые элементы играли важнейшую роль: это их примесь к водородно-гелиевому газу делала возможным в следующую эпоху Населения II (Pop-II) образоваться маленьким звёздам-долгожителям. Это объясняется разными физическими и химическими факторами, но, пожалуй, главным из них является теплоперенос. Чем богаче элементный состав межзвёздного газа, тем легче в нём происходит поглощение лучистой энергии звезды (растёт непрозрачность) – и тем раньше образуется вокруг звезды горячий пузырь разогретого газа или плазмы, препятствующий притоку к ней новых масс газа. И формирование плотного центрального ядра происходит в многоэлементной химической среде быстрее, потому что облегчается главный родовой процесс звезды – сбрасывание гравитационной энергии, без чего газовые массы не могут уплотниться. Это сбрасывание происходит через излучение энергии, а кванты излучения рождаются при энергетических переходах электронов в атомах, молекулах и ионах. Ясно, что, у газа, состоящего из водорода и гелия, вариантов таких переходов немного, а у газа, содержащего ядра более сложных элементов, варианты множатся в геометрической прогрессии. И ясно, что если процесс гравитационного уплотнения произошёл быстро, то большие массы межзвёздного газа просто не успели подойти к ядру гравитационного притяжения, поэтому звезда получится маленькой.
...и заложили мир
Не будь Pop-III, вся последующая история Вселенной была бы скучна и готична: раз за разом образовывались бы из всё более редеющего газа всё более огромные Pop-III (у них обратная связь размера с плотностью питающей среды), всё быстрее взрывались бы, всё чаще уносили бы вещество в чёрные дыры, и так, за несколько тысяч циклов, к нашим временам почти ничего кроме дыр и не заполняло бы пустыню космоса, в котором никогда и нигде не было шанса зародиться жизни... Возможно, наша Вселенная была очень близка к этой готике: сегодняшние, пока ещё довольно примерные, расчёты космологов показывают, что минимально нужная концентрация тяжёлых ядер всего в несколько раз превышена в выбросах первых Pop-III.
От Pop-III к Pop-II
Те Pop-III, что подарили нам жизнь, давным-давно ушли навсегда (хотя Тина Стрём в упомянутой выше работе, как будто, нашла на самых дальних и древних окраинах Вселенной несколько кандидатов на роль микрогалактик эпохи Pop-III; а в 2000-х в Млечном пути нашли две тусклые звёздочки, которые, возможно, относятся или к Pop-III или к переходному этапу, открывающему следующую звёздную расу*). Но в 2018 г. нашли практически несомненную пару Pop-III возрастом 13,53 млрд. лет прямо в тонком диске Млечного Пути, да ещё и почти рядом с нами, менее чем в 2 тыс. св. лет (они обращаются по эллипсу в среднем в 20 тыс. св. лет от центра Галактики). Дожить до наших дней тесной парочке помогла скромность: массы старушек 0,76 и 0,14 солнечной, это не гиганты, сгорающие мигом, а, очевидно, младшие сёстры, плоды джинсовского распада протозвёздных облаков при родах гигантов. Находка бросает вызов теориям образования и Pop-III, и нашей Галактики, но тем интереснее! Авторы открытия полагают, что таких долгожительниц найдётся ещё немало.**
_________________
Реликты Pop-III?
* Это звёзды HE0107-5240, описанная Christlieb с сотрудниками в 2002 г. и HE1327-2326, описанная Frebel с сотрудниками в 2005 г. Содержание тяжёлых элементов в них в сотни тысяч раз меньше, чем в Солнце. [http://www.readcube.com/articles/10.1038/nature01142?tab=summary]
** K. C. Schlaufman, I. B. Thompson, A. R. Casey. An Ultra Metal-poor Star Near the Hydrogen-burning Limit // The Astrophysical Journal, vol. 867, No. 2, August 2018, p. 98 [https://arxiv.org/pdf/1811.00549.pdf]. Имя этой двойной – 2MASS J18082002–5104378. Расстояние между её компонентами, субгигантом и красным или коричневым карликом, в 2,3 раза меньше среднего радиуса орбиты Меркурия!
_______________________________________________
ПРОДОЛЖЕНИЕ СТАТЬИ ВЕСТЕЙ
При этом учёные очень хотят найти хотя бы одно дожившее до наших дней светило, принадлежащее первому поколению. Но до сих пор не известно, остались ли во Вселенной вообще подобные патриархи. Правда, из некоторых моделей следует, что самые маленькие звёзды (красные карлики) могут доживать и до триллиона лет. Однако всякая модель должна быть проверена наблюдениями. Пока же никому не удалось обнаружить светило первого поколения.
Несколько более молодые звёзды, которые, однако, гораздо старше Солнца, тоже являются ценным уловом. Они многое могут рассказать о ранних стадиях жизни Вселенной.
В 2016 году ещё одна команда астрономов открыла звезду 2MASS J18082002?5104378. Её металличность, по расчётам команды, составила -4,1. Это означало, что звезда очень бедна тяжёлыми элементами, хотя её показатели и не рекордны (самая низкая обнаруженная на сегодняшний день металличность равна -7,1).
Команда заметила особенности движения звезды, говорившие о том, что она является частью двойной системы. В то же время учёным не удалось обнаружить её компаньона. Астрономы предположили, что это чёрная дыра или нейтронная звезда.
В новом исследовании Шлауфман и его коллеги обнаружили тот самый недостающий компонент системы. Им оказалась маленькая и тусклая звезда, получившая название 2MASS J18082002-5104378 B.
Её металличность равна -3,50, то есть по этому показателю она не так экзотична, как её более крупная соседка. Правда, и такие цифры вводят её в тесный круг самых бедных тяжёлыми элементами светил, известных астрономам.
"Такая звезда, может быть, одна на десять миллионов, – говорит Шлауфман. – Она может рассказать нам что-то очень важное о первых поколениях звёзд".
По некоторым показателям это светило по-настоящему уникально.
Во-первых, его масса составляет лишь 0,14 солнечной. Она близка к пределу, за которым термоядерное горение водорода становится невозможным. Все остальные древнейшие звёзды (их найдено около 30) по массе примерно равны Солнцу.
Это первое прямое наблюдательное доказательство, что в ту далёкую эпоху такие маленькие звёзды вообще рождались. Оно поможет прояснить многие трудные вопросы образования светил.
Во-вторых, по абсолютному содержанию (в тоннах) тяжёлых элементов свежеоткрытая звезда самая бедная из известных астрономам. Здесь экстремально низкая концентрация этих веществ накладывается на скромные габариты самой звезды. Общая масса всех элементов тяжелее гелия в составе 2MASS J18082002-5104378 В примерно равна массе Меркурия. Для сравнения: в составе Солнца их наберётся на целых 14 юпитеров.
В-третьих, обе звезды 2MASS J18082002-5104378, как и Солнце, принадлежат тонкому диску Млечного Пути. В этом регионе Галактики ранее не было известно столь древних объектов. И новые оценки возраста системы, полученные Шлауфманом и коллегами, могут уточнить "дату рождения" тонкого диска.
Согласно подсчётам группы, возраст звезды составляет 13,5 миллиарда лет, то есть она образовалась всего через 200–300 миллионов лет после Большого взрыва. Это означает, что тонкий диск разом "состарился" как минимум на три миллиарда лет.
Наконец, наблюдения 2MASS J18082002-5104378 B позволили уточнить модели звёздной эволюции. Полученные данные стали веским аргументом в пользу того, что некоторые звёзды первого поколения ещё живы, и их открытие – дело времени.
"Если наши выводы верны, то звёзды с малой массой, которые состоят исключительно из продуктов Большого взрыва, могут существовать, – заключает Шлауфман. – Хотя мы ещё не нашли такой объект в нашей галактике, он может существовать".
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о том, как "тяжёлая" звезда раскрыла тайны солнечной активности, и о наблюдении самой далёкой отдельной звезды в истории.
shar.k156.ru