Звезды третьей популяции (Pop III) до недавнего времени представлялись ученым гигантами. По ранним оценкам, их массы достигали сотен солнечных. Но современные компьютерные симуляции показывают, что все было не совсем так. «Пионеры» космоса, скорее всего, имели куда меньшие размеры.

Дело в том, что сверхзвуковая турбулентность в газовых облаках раннего космоса могла дробить вещество и порождать не только колоссальные объекты, но и звезды с массами от нескольких до десятков солнечных. Сегодня разберем, как новые модели меняют представление о первых светилах и их роли в эволюции Вселенной.

Как хаос формировал первые светила

Вообразите себе молодую Вселенную. Она представляла собой горячую смесь водорода, гелия и следов лития, созданных в первые минуты после Большого взрыва. Тяжелых элементов, таких как углерод или железо, еще не было — их позже синтезировали сами светила.

Примерно через 100–200 миллионов лет после рождения Вселенной в этом первозданном газе зажглись первые обитатели, известные как звезды третьей популяции (Pop III). Почему третьей? Астрофизики делят все это многообразие на три поколения. К самой молодой группе (Pop I) относят Солнце и его современников. Они возникли в богатых металлами газопылевых облаках — веществе, выброшенном более старыми поколениями. Звезды второй популяции (Pop II) образовались из продуктов распада первых сверхновых, а те, в свою очередь, появились после гибели самых древних светил — третьей популяции. Общая закономерность проста: чем позже сформировалась звезда, тем больше в ее составе тяжелых элементов.

Долгое время ученые считали, что отсутствие металлов делало первичные газовые облака устойчивыми, позволяя формироваться лишь сверхмассивным гигантам — звездам с массами в сотни раз больше солнечной. Эти колоссы быстро сгорали, взрывались как сверхновые и, возможно, оставляли после себя черные дыры.

Новые исследования при помощи компьютерного моделирования показывают, что эта картина неполная. В небольших скоплениях темной материи гравитация закручивала газ в хаотичные потоки. Сверхзвуковая турбулентность со скоростями в несколько километров в секунду создавала области разной плотности и разбивала облака на отдельные сгустки. Хаотичные потоки могли вести к разным сценариям: иногда из газового диска вокруг протозвезды рождалось несколько новых светил, а иногда звезды формировались сразу из отдельных сгустков. Так появлялись целые группы с разным диапазоном масс — от колоссов до сравнительно легких объектов.

Подробные расчеты с использованием кода Gizmo и в рамках проекта IllustrisTNG позволили уточнить параметры среды, где происходило звездообразование. Моделирование показало, что первые звезды рождались в скоплениях темной материи массой около десяти миллионов Солнц. Их гравитация притягивала газ, и создавалась среда, в которой могли формироваться новые светила. В расчетах видно, как распределялись плотность и температура газа и как из этих условий возникали целые группы звезд. Это подтверждает: ранняя Вселенная давала жизнь именно скоплениям светил, а не только отдельным гигантам.

Такой сценарий меняет и понимание «космического рассвета» — времени, когда Вселенная впервые наполнилась светом. Излучение от множества звездных систем могло поддерживать процесс реионизации дольше и равномернее, чем вспышки одиночных гигантов. Это показывает, что эволюция раннего космоса была гораздо более динамичной, чем предполагалось.

Почему это меняет наше представление о космосе

Разнообразие масс первых звезд заметно сказалось на эволюции Вселенной. Самые тяжелые светила жили всего несколько миллионов лет и завершали жизнь либо путем коллапса в черную дыру, либо мощным взрывом сверхновой, который выбрасывал в космос тяжелые элементы. Менее массивные звезды — от нескольких до десятков солнечных масс — существовали дольше. Они «работали» иначе: постепенно теряли вещество в виде «звездных ветров» — потока разогретого газа, уходящего с поверхности, — и заканчивали жизнь более слабыми взрывами, тоже выбрасывавшими часть массы наружу. Их вклад меньше по масштабу, но растянут во времени, поэтому следы самых массивных предков в составе современных звезд оказались менее заметны.

Разнообразие Pop III отразилось и на рождении первых галактик. Кластеры звезд формировали сложные структуры и своим излучением участвовали в реионизации — переходе Вселенной к прозрачному состоянию. Светила средней массы могли завершать жизнь как нейтронные звезды или оставлять после себя характерные химические подписи. Есть гипотеза, что именно из таких объектов могли возникнуть некоторые черные дыры промежуточной массы, наблюдаемые сегодня, хотя прямых подтверждений этому пока нет.

Получается, первые звезды не просто зажгли космос — они заложили основу для его эволюции. Их разнообразие объясняет, как из хаотичных условий ранней Вселенной возникли сложные структуры, от галактик до химических элементов, из которых позже сформировались планеты и, возможно, жизнь.

Что еще?

Для того, чтобы все подтвердить, нужно найти прямые доказательства существования Pop III. Это крайне сложная задача, ведь они угасли миллиарды лет назад, а их свет давно рассеялся. Но современные инструменты, такие как телескоп «Джеймс Уэбб», позволяют заглянуть в далекие уголки космоса, где формировались первые галактики. Ученые ищут косвенные следы Pop III в спектрах этих объектов — линии излучения, которые могли оставить звезды с разными массами. Новые модели дают подсказки, где искать такие сигналы, указывая на возможные химические «отпечатки» светил меньших размеров.

Дальнейшие исследования могут добавить важные детали. Ученые планируют узнать, как на рождение первых звезд влияли магнитные поля. Сегодня известно, что в галактиках они усиливаются турбулентными потоками и заметно меняют процесс звездообразования, так что и в ранней Вселенной их роль могла быть значимой. Также ученые хотят точнее описать условия в небольших скоплениях темной материи — «зернах», внутри которых зарождались первые звезды. Это поможет понять не только, как появлялись сами светила, но и как из них складывались галактики — предшественницы Млечного Пути.