Протягом двох десятиліть астрономи мізкували над тим, як надмасивні чорні діри, одні з найяскравіших об'єктів у Всесвіті, могли існувати через мільярд років після Великого вибуху. Звичайні зірки просто не могли створити такі масивні чорні діри досить швидко.
Тепер, використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) НАСА, міжнародна група астрономів виявила перший переконливий доказ, що розгадує цю космічну загадку: в ранньому Всесвіті існували «зірки-монстри», маса яких у 1000–10000 разів перевищувала масу нашого Сонця. Прорив стався завдяки вивченню хімічних характеристик галактики GS 3073.
Нове дослідження, проведене вченими Центру астрофізики | Гарвард та Смітсонівський інститут (CfA) та Університету Портсмута в Англії виявили екстремальний дисбаланс азоту та кисню, який не може бути пояснений жодним відомим типом зірок.
У 2022 році дослідники опублікували в журналі Nature роботу, яка передбачала, що надмасивні зірки природним чином утворювалися в рідкісних, турбулентних потоках холодного газу в ранньому Всесвіті, пояснюючи, як квазари (надзвичайно яскраві чорні діри) могли існувати менш ніж через мільярд років після Великого вибуху.
"Наше останнє відкриття допомагає розгадати 20-річну космічну загадку", - сказав Деніел Вейлен з Інституту космології та гравітації Портсмутського університету. «З GS 3073 ми отримали перші докази існування цих гігантських зірок.
Ці космічні гіганти яскраво горіли протягом короткого часу, перш ніж колапсувати у масивні чорні діри, залишаючи після себе хімічні сліди, які ми можемо виявити через мільярди років. Подібно до динозаврів на Землі, вони були величезними й примітивними. І вони мали коротке життя, всього чверть мільйона років, космічну мить ока».
Ключем до відкриття став вимір відношення азоту до кисню в GS 3073. Галактика містить відношення азоту до кисню 0,46, що набагато вище, ніж можна пояснити будь-яким відомим типом зірок або зірковим вибухом.
Девеш Нандал, науковий співробітник Швейцарського національного наукового фонду в Інституті теорії та обчислень CfA, сказав: «Хімічний склад діє як космічний відбиток пальця, і картина в GS 3073 не схожа ні на що, що можуть робити звичайні зірки. Його надзвичайно високий вміст азоту відповідає лише одному відомому нам типу джерел: первинним зіркам, у тисячі разів масивнішим, ніж наше Сонце. Це говорить нам про те, що перше покоління зірок включало дійсно надмасивні об'єкти, які допомогли сформувати ранні галактики та, можливо, стали зародком сучасних надмасивних чорних дір».
Дослідники змоделювали, як еволюціонують зірки масою від 1000 до 10 000 сонячних мас та які елементи вони виробляють. Вони виявили специфічний механізм, що створює величезну кількість азоту:
- ці величезні зірки спалюють гелій у своїх ядрах, виробляючи вуглець;
- вуглець проникає в навколишню оболонку, де горить водень;
- вуглець з'єднується з воднем, утворюючи азот у рамках циклу вуглець/азот/кисень (CNO);
- конвекційні потоки розподіляють азот по всій зірці; і,
- зрештою, цей багатий азотом матеріал викидається в космос, збагачуючи навколишній газ.
Цей процес триває мільйони років під час фази горіння гелію у зірці, створюючи надлишок азоту, що спостерігається у GS 3073.
Моделі, опубліковані в Astrophysical Journal Letters, також пророкують, що відбувається, коли ці гігантські зірки вмирають. Вони не вибухають. Натомість вони колапсують безпосередньо в масивні чорні діри масою в тисячі сонячних мас.
Цікаво, що в центрі GS 3073 знаходиться чорна діра, що активно живиться, та потенційно є залишком однієї з цих надмасивних перших зірок. Якщо це підтвердиться, то вирішить одразу дві загадки: звідки взявся азот та як утворилася чорна діра.
Дослідження також показало, що цей азотний слід з'являється лише у певному діапазоні мас. Зірки масою менш як 1000 сонячних мас або більш як 10 000 сонячних мас не створюють потрібного хімічного складу для цього сліду, що вказує на оптимальну зону для такого збагачення.
Ці результати відкривають нове вікно у перші кілька сотень мільйонів років існування Всесвіту, період, який астрономи називають «космічними темними віками», коли загорілися перші зірки й почали перетворювати просту хімію раннього Всесвіту на багату різноманітність елементів, яку ми бачимо сьогодні.
Дослідники передбачають, що телескоп JWST виявить більше галактик з подібним надлишком азоту в міру продовження дослідження раннього Всесвіту. Кожне нове відкриття зміцнюватиме аргументи на користь існування цих надмасивних перших зірок.
