Новаторский набор суперкомпьютерных симуляций позволяет заглянуть в то, как возникли первые звёзды Вселенной, известные как звёзды Популяции III, из хаоса раннего космоса.
Эти симуляции, проведённые Ке-Цзюном Ченом из Института астрономии и астрофизики при Академии Синика на Тайване и подробно описанные в исследовании, опубликованном в «The Astrophysical Journal Letters», показывают, что сильная турбулентность в первичных газовых облаках играла гораздо более значительную роль в формировании звёзд, чем считалось ранее.
Разгадка «Тёмных веков»
«Тёмные века» — это самая ранняя эра после Большого взрыва, начавшаяся примерно через 370 000 лет после рождения Вселенной. Космос достаточно охладился, чтобы стать прозрачным, позволяя свету свободно распространяться, но звёзд, которые могли бы его осветить, ещё не было. Этот период закончился через несколько сотен миллионов лет, когда зажглись первые звёзды и изменили космический ландшафт.
Прямое наблюдение отдельных звёзд, возникших более 13 миллиардов лет назад, невозможно с помощью современных телескопов, но продвинутые симуляции предоставляют мощную альтернативу.
Используя код симуляции GIZMO и крупномасштабные данные проекта IllustrisTNG, исследователи воссоздали условия, предшествовавшие рождению первых звёзд. Увеличив разрешение IllustrisTNG примерно в 100 000 раз с помощью метода, называемого расщеплением частиц, они смогли зафиксировать движение газа в беспрецедентных масштабах — вплоть до долей парсека.
Турбулентность в первичных облаках
Симуляция началась с мини-гало из тёмной материи, масса которого была примерно в 10 миллионов раз больше массы Солнца. Газ поступал в гравитационное поле мини-гало со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука, создавая сверхзвуковую турбулентность.
Вместо того чтобы препятствовать формированию звёзд, эта турбулентность привела к тому, что газ разделился на множество плотных сгустков, каждый из которых имел потенциал для формирования звёзд. Один из таких сгустков достиг порога неустойчивости Джинса и коллапсировал, образовав звезду размером примерно в 8 масс Солнца.
По словам исследователей, процесс аккреции газа был «сильно анизотропным и неоднородным», сформированным под действием приливных сил со стороны собирающегося гало из тёмной материи. Это хаотическое движение не только способствовало образованию сгустков, но и влияло на размер и распределение первых звёзд.
Разгадана ли загадка первых звёзд?
Астрономы давно спорят о том, были ли звёзды Популяции III массивными одинокими гигантами или более многочисленными звёздами меньшего размера. Традиционные модели предполагали массы в диапазоне от 80 до 260 масс Солнца, причём многие заканчивали свою жизнь как сверхновые с парной нестабильностью — взрывы, которые оставляют отчётливые химические сигнатуры в более поздних поколениях звёзд. Однако, несмотря на десятилетия поисков, такие сигнатуры так и не были найдены.
Новые симуляции предлагают возможное объяснение. Если первые звёзды были менее массивными, а сверхновые были редкими, отсутствие этих химических отпечатков в сегодняшних старейших звёздах становится более понятным.
«Это первый раз, когда мы смогли разрешить полное развитие турбулентности на самых ранних этапах формирования первой звезды», — объяснил Чен. «Это показывает, что сильные, хаотические движения не только присутствовали — они играли решающую роль в формировании первых звёзд».
Преодоление космических масштабов
Соединив крупномасштабное формирование космической структуры с мелкомасштабными процессами, которые управляют рождением звёзд, команда сделала значительный шаг к пониманию космического рассвета. Результаты предполагают, что турбулентность, генерируемая во время раннего формирования структуры, могла естественным образом регулировать масштаб масс звёзд Популяции III, изменив теории о том, как начал сиять первый свет во Вселенной.
«Эти симуляции представляют собой прорыв», — сказал Чен. «Раскрывая роль турбулентности, мы делаем шаг ближе к пониманию того, как начался космический рассвет».