Галактики раннього Всесвіту виглядають набагато дивнішими за ті, що ми бачимо сьогодні, і астрономи прагнуть зрозуміти причину. Команда з Університету Юти у проєкті Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars (TEMPOS) вивчила особливий тип зір у сусідніх галактиках, аби знайти аналоги перших світил Всесвіту. Про це детально розповідає матеріал видання Universe Today.
Перші зорі та їхній вплив на галактики
Перші зорі почали формуватися приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху. Вони були надмасивними, жили дуже недовго, яскраво світили, а завершували існування потужними вибухами наднових. Матеріал з їхніх надр згодом перетворювався на будівельний ресурс для наступних поколінь зір і впливав на еволюцію молодих галактик.
Ці ранні зорі належали до так званого населення III — перших поколінь світил, утворених переважно з водню та гелію. Вони могли бути більш ніж у десять разів масивнішими за Сонце й існували значно менше часу, ніж подібні до Сонця зорі населення I.
Через відсутність важчих елементів такі об’єкти були «металобідними». У термінах астрономії всі елементи важчі за водень і гелій — це «метали» (карбон, кисень, азот, залізо тощо). Перші зорі майже повністю складалися з водню та гелію, а важчі елементи утворювалися вже в їхніх надрах і розсіювалися по міжзоряному середовищу під час вибухів наднових.
Ранні галактики, що містили переважно водень і ці первісні зорі, теж були дуже бідними на метали. З часом, коли зорі вмирали, вміст важких елементів у галактиках зростав, що змінювало їхню будову та вигляд.
Чому досліджують металобідні зорі сьогодні
Грейс Телфорд (Grace Telford), астрофізикиня та керівниця дослідження TEMPOS, разом із колегами зосередилася на сучасних зорях, які за властивостями нагадують давні. Масивні зорі з низькою металевістю особливо важливі для побудови точних моделей ранніх галактик. На думку дослідників, поведінку таких об’єктів не можна коректно відтворити, якщо спиратися лише на добре вивчені, але металозбагачені масивні зорі Чумацького Шляху.
Ще з перших глибоких оглядів Габбла в 1990-х роках стало очевидно, що далекі, дуже молоді галактики виглядають «дивно» в порівнянні з сучасними. Постало запитання: що формується першим — зорі чи галактики, і як саме масивні зорі змінюють свої «домівки»?
Саме тому команда TEMPOS шукала металобідні масивні зорі в галактиках, які можна вважати аналогами раннього Всесвіту.
Каталог TEMPOS і карликові галактики
Каталог TEMPOS охоплює близькі низькомасивні карликові галактики, які за своїми властивостями більше нагадують древні галактики, ніж наш Чумацький Шлях. Сонце та його «рідна» галактика мають відносно високий вміст металів, тому команді довелося шукати відповіді за межами нашої системи.
У фокусі дослідження опинилися 29 масивних металобідних зір у галактиках із металевістю, значно нижчою за сонячну. За допомогою спектрографа Cosmic Origins Spectrograph (COS) на борту космічного телескопа «Габбл» астрономи проаналізували ультрафіолетове випромінювання цих об’єктів.
Отримані ультрафіолетові спектри дозволили визначити вміст металів у зорях, а також характеристики їхніх зоряних вітрів. Такі вітри, як і сонячний вітер, викидають речовину в навколишній простір і є одним із головних механізмів втрати маси масивними зорями до вибуху наднової.
Важливим фактором тут є саме металевість: іони металів «зчіплюють» випромінювання зорі з її зовнішніми шарами, посилюючи вітри. У спостережуваних зір чим нижча металевість, тим слабші вітри та менша втрата маси протягом життя. Дані TEMPOS показали, що в зорь із найнижчим вмістом металів швидкості вітрів різко зменшуються.
Якщо такі зорі втрачають менше маси до вибуху наднової, це змінює їхню еволюцію, кінцеві маси залишків і, відповідно, вплив на розвиток галактик-господарів.
Роль заліза й натяки на ранній Всесвіт
Окрему увагу команда приділила залізу. Воно утворюється лише в надрах наймасивніших зір і потрапляє у міжзоряне середовище під час вибухів наднових. У металобідних регіонах залізо досить рідкісне, але його кількість багато що говорить про історію зореутворення в галактиці.
У спектрах, отриманих COS, дослідники виявили лінії поглинання заліза. Порівняння показало, що масивні зорі в галактиках із високою металевістю мають сильніші сигнали заліза, ніж подібні зорі в металобідних системах.
Якщо схожі закономірності виявляться й у ще віддаленіших, ранніх галактиках, це означатиме, що навіть у дуже бідних на метали регіонах молодого Всесвіту можливий певний діапазон вмісту заліза. Це допоможе уточнити фізику масивних зір і те, як вона змінюється з кількістю заліза, навіть за екстремально низької металевості.
Зв’язок із даними JWST і подальші кроки
Результати TEMPOS мають пряме застосування до спостережень раннього космосу, які нині проводить телескоп Джеймса Вебба (JWST). Він уже просуває межі видимого Всесвіту до найдавніших епох і може невдовзі отримати більш детальні дані про перші зорі.
Каталог TEMPOS і спектри, зібрані за допомогою «Габбла», оприлюднено через архів Mikulski Archive for Space Telescopes. Це дає змогу незалежним групам науковців використовувати їх для інтерпретації далеких галактик, які JWST бачить як крихітні, дивні й дуже молоді зоряні системи.
Такі спільні спостереження з «Габбла» та JWST поступово показують, як надмасивні металобідні зорі, живучи швидко та вмираючи яскравими надновими, формували дивний вигляд перших галактик у Всесвіті.