Космический телескоп Джеймс Уэбб нашел следы первых звезд

Давным-давно Вселенная было молодой и темной. После Большого взрыва прошло всего несколько сотен миллионов лет, и космос только пробуждался, наполняясь светом первых звезд. Какими они были? Долгое время астрономы предполагали, что это были скромные по космическим меркам объекты. Однако одна загадка упрямо противоречила этой картине: существование сверхмассивных черных дыр, ярко сиявших в ту далекую эпоху. Обычные звезды просто не успели бы за столь короткий срок превратиться в такие колоссальные объекты. Разгадка этой головоломки, похоже, найдена, и ключом к ней стал космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST). Благодаря его беспрецедентной чувствительности международная группа ученых обнаружила в далекой галактике GS 3073 неоспоримые химические следы существования поистине огромных первичных звезд, чья масса в тысячи раз превосходила солнечную.

Открытие было сделано при детальном изучении химического состава галактики GS 3073. Исследователи из Портсмутского университета и Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института обнаружили аномальное соотношение элементов — экстремальный избыток азота по отношению к кислороду. Такой дисбаланс невозможно объяснить ни одним известным типом звездной эволюции или взрыва.

Этот химический «отпечаток пальца» идеально совпал с предсказаниями теоретических моделей, опубликованных еще в 2022 году. Модели утверждали, что в турбулентных потоках холодного газа ранней Вселенной могли естественным образом рождаться звезды-монстры массой от 1000 до 10 000 масс Солнца. Галактика GS 3073 стала первым наблюдательным подтверждением этой смелой гипотезы.

Механизм, породивший уникальную химическую сигнатуру, связан с внутренними процессами в этих гигантах. В их недрах гелий, сгорая, производил углерод. Углерод затем попадал в оболочку, где продолжал гореть водород. В ходе так называемого CNO-цикла (углерод-азот-кислород) атомы углерода, соединяясь с водородом, превращались в огромное количество азота.

Мощные конвекционные потоки, свойственные столь массивным объектам, разносили этот азот по всей звезде, а в конце ее короткой, по космическим меркам, жизни — всего около четверти миллиона лет — богатый азотом материал выбрасывался в окружающее пространство, навсегда меняя химический состав своей галактики.

Это открытие имеет далеко идущие последствия для нашего понимания эпохи космического рассвета. Оно предлагает элегантное решение загадки ранних сверхмассивных черных дыр. Согласно новым моделям, такие звезды-гиганты не взрывались как сверхновые, а напрямую коллапсировали в черные дыры массой в тысячи солнц, становясь идеальными «зародышами» для будущих квазаров. Примечательно, что в центре самой галактики GS 3073 уже обнаружена активно поглощающая вещество черная дыра — возможное прямое наследие одного из таких первозданных монстров.

Кроме того, исследование выявило «золотую середину» для этого явления: химическая сигнатура проявляется только у звезд в определенном диапазоне масс, от 1000 до 10 000 солнечных. Объекты легче или тяжелее не способны создать наблюдаемый избыток азота. Открытие телескопа Джеймс Уэбб проливает свет на самую раннюю фазу звездообразования, так называемые «космические темные века», когда Вселенная начала превращаться из простого облака водорода и гелия в химически богатый космос.

Ученые уверены, что это не последняя находка такого рода. Продолжая наблюдения, JWST, вероятно, обнаружит и другие галактики с аналогичным химическим следом, постепенно восстанавливая полную картину той эпохи, когда во тьме юной Вселенной зажглись первые, невероятно яркие и недолговечные звезды, навсегда изменившие ход космической истории.