Симуляции показали, как первые звезды рождались в космических бурях

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, во Вселенной не было ни галактик, подобных Млечному Пути, ни планет, ни тяжелых элементов вроде углерода или кислорода. Вместо этого сквозь пространство дрейфовали огромные облака первичного водорода и гелия, медленно втягиваясь в невидимые коконы темной материи — так называемые минигало. Именно в этих гало рождались самые первые звезды — звезды популяции III.

Десятилетиями астрономы полагали, что формирование первых светил происходило в относительно спокойных условиях, а сами звезды вырастали до исполинских размеров, в сотни раз массивнее Солнца. Однако исследование под руководством доктора Кэ-Чжуна Чена из Института астрономии и астрофизики Академии Синика рисует куда более хаотичную картину младенчества Вселенной. Результаты работы астроном опубликованы в Astrophysical Journal.

Космические бури 

Команда Чена обнаружила, что первичный газ внутри ранних гало раздирали сверхзвуковые турбулентные потоки —  космические штормы, скорость которых в несколько раз превышала скорость звука. Эти течения разбивали газ на множество плотных сгустков, кардинально меняя условия рождения первых звезд.

В ходе моделирования ученые проследили эволюцию 15 первичных минигало, возникших около 13 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной не достигал и 300 миллионов лет. Чтобы запечатлеть эти крошечные структуры с беспрецедентной детализацией, исследователи повысили разрешение крупномасштабных космологических симуляций в 100 000 раз, что позволило отслеживать движения газа на масштабах менее светового года.

Турбулентность в космосе

Оказалось, что газ, устремляющийся в гравитационные ямы темной материи, естественным образом порождает турбулентность. Когда несколько потоков сталкиваются вблизи центров гало, возникают вихревые, хаотические движения с числами Маха от 2 до 5. Это значит, что вещество перемещалось в несколько раз быстрее локальной скорости звука. В некоторых областях сверхзвуковая турбулентность достигала еще более экстремальных значений.

Вместо того чтобы плавно сжиматься в одну гигантскую звезду, турбулентный газ дробился на множество плотных сгустков. Масса некоторых из них составляла всего несколько солнечных, другие же массы десяти Солнц, прежде чем коллапсировать под собственной тяжестью. Это означает, что первые звезды могли быть меньше и разнообразнее, чем считалось прежде.

Значение исследования

Новые данные способны пролить свет на давние загадки астрономии. Древние «ископаемые» звезды, наблюдаемые сегодня в Млечном Пути, хранят химические отпечатки первых взрывов сверхновых. Удивительно, но многие из них указывают на то, что первые светила были менее массивными, чем предсказывали старые теории. Обнаруженная турбулентная фрагментация дает естественное объяснение этому расхождению.

Исследование имеет важные последствия и для современных наблюдений телескопа Джеймса Уэбба. Хотя отдельные первые звезды слишком тусклы и далеки для прямого обнаружения, их массы сильно влияют на эволюцию первых галактик и химическое обогащение ранней Вселенной. Поэтому понимание того, как формировались эти первозданные светила, крайне важно для интерпретации наблюдений эпохи космического рассвета.