Десятилетиями астрономы задавались вопросом, какими были самые первые звёзды во Вселенной.
Эти звёзды образовали новые химические элементы, которые обогатили Вселенную и позволили следующим поколениям звёзд сформировать первые планеты.
Изначально первые звёзды состояли из чистого водорода и гелия и были массивными — в сотни и тысячи раз массивнее Солнца и в миллионы раз ярче. Их короткая жизнь закончилась огромными взрывами, называемыми сверхновыми, так что у них не было ни времени, ни сырья для формирования планет, и они уже не должны существовать для наблюдения астрономами.
По крайней мере, так мы думали.
Два исследования, опубликованные в первой половине 2025 года, предполагают, что коллапсирующие газовые облака в ранней Вселенной могли образовывать звёзды меньшей массы.
В одном исследовании используется новое астрофизическое компьютерное моделирование, которое моделирует турбулентность внутри облака, вызывая фрагментацию на более мелкие сгустки, образующие звёзды. Другое исследование — независимый лабораторный эксперимент — демонстрирует, как молекулярный водород, молекула, необходимая для формирования звёзд, возможно, образовался раньше и в большем количестве.
Астроном, изучающий формирование звёзд и планет и их зависимость от химических процессов, воодушевлён возможностью того, что химия в первые 50–100 миллионов лет после Большого взрыва могла быть более активной, чем мы ожидали.
Эти результаты предполагают, что второе поколение звёзд — самые старые звёзды, которые мы можем наблюдать в настоящее время и которые, возможно, являются хозяевами первых планет — могло сформироваться раньше, чем думали астрономы.
Звёзды формируются, когда массивные облака водорода, размером во много световых лет, коллапсируют под действием собственной гравитации. Коллапс продолжается до тех пор, пока светящаяся сфера не окружит плотное ядро, достаточно горячее для поддержания ядерного синтеза.
Ядерный синтез происходит, когда два или более атома получают достаточно энергии для слияния. Этот процесс создаёт новый элемент и высвобождает невероятное количество энергии, которое нагревает звёздное ядро. В первых звёздах атомы водорода сливались вместе, образуя гелий.
Новая звезда светит, потому что её поверхность горячая, но энергия, питающая эту светимость, исходит из её ядра. Светимость звезды — это её общий выход энергии в виде света. Яркость звезды — это малая часть этой светимости, которую мы непосредственно наблюдаем.
Этот процесс, при котором звёзды образуют более тяжёлые элементы путём ядерного синтеза, называется звёздным нуклеосинтезом. Он продолжается в звёздах после их формирования, поскольку их физические свойства медленно меняются. Более массивные звёзды могут производить более тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород и азот, вплоть до железа, в последовательности реакций синтеза, которые заканчиваются взрывом сверхновой.
Сверхновые могут создавать ещё более тяжёлые элементы, завершая периодическую таблицу элементов. Звёзды меньшей массы, такие как Солнце, с их более холодными ядрами, могут поддерживать синтез только до углерода. Когда водород и гелий в их ядрах исчерпываются, ядерный синтез прекращается, и звёзды медленно испаряются.
Если бы самые ранние звёзды были все массивными, то они бы взорвались давным-давно. Но если в ранней Вселенной также формировались звёзды меньшей массы, они всё ещё могут существовать для нашего наблюдения.
Первые звездообразующие газовые облака, называемые протозвёздными облаками, были тёплыми — примерно комнатной температуры. Тёплый газ имеет внутреннее давление, которое выталкивает наружу против направленной внутрь силы гравитации, пытающейся коллапсировать облако.
Только самые массивные протозвёздные облака с наибольшей гравитацией могли преодолеть тепловое давление и в конечном итоге коллапсировать. В этом сценарии первые звёзды были все массивными.
Единственный способ сформировать звёзды меньшей массы, которые мы видим сегодня, — это охлаждение протозвёздных облаков. Газ в космосе охлаждается за счёт излучения, которое преобразует тепловую энергию в свет, уносящий энергию из облака. Атомы водорода и гелия неэффективно излучают при температуре ниже нескольких тысяч градусов, но молекулярный водород, H₂, отлично охлаждает газ при низких температурах.
Когда молекулярный водород возбуждён, он излучает инфракрасный свет, который охлаждает газ и снижает внутреннее давление. Этот процесс сделал бы гравитационный коллапс более вероятным в облаках меньшей массы.
В статье, опубликованной в июле 2025 года, физик Флориан Грусси и его коллеги из Института ядерной физики Общества Макса Планка продемонстрировали, что первая молекула, образовавшаяся во Вселенной, — гидрид гелия, HeH⁺, мог быть более распространённым в ранней Вселенной, чем считалось ранее. Они использовали компьютерную модель и провели лабораторный эксперимент для проверки этого результата.
Гидрид гелия? В старших классах на уроках естествознания вы, вероятно, узнали, что гелий — благородный газ, то есть он не вступает в реакцию с другими атомами для образования молекул или химических соединений. Как оказалось, это не так — но только в чрезвычайно разреженных и тёмных условиях ранней Вселенной, до формирования первых звёзд.
HeH⁺ реагирует с дейтеридом водорода — HD, который представляет собой один нормальный атом водорода, связанный с более тяжёлым атомом дейтерия, — с образованием H₂. В процессе HeH⁺ также действует как хладагент и выделяет тепло в виде света. Таким образом, высокое содержание обоих молекулярных хладагентов могло позволить меньшим облакам охлаждаться быстрее и коллапсировать, образуя звёзды меньшей массы.
В другом исследовании, опубликованном в июле 2025 года, астрофизик Ке-Цзюнь Чен возглавил исследовательскую группу в Институте астрономии и астрофизики Академии Синика, используя детальное компьютерное моделирование, которое моделировало, как газ в ранней Вселенной мог течь.
Модель команды продемонстрировала, что турбулентность, или нерегулярное движение, в гигантских коллапсирующих газовых облаках может образовывать фрагменты облаков меньшей массы, из которых конденсируются звёзды меньшей массы.
Исследование пришло к выводу, что турбулентность могла позволить этим ранним газовым облакам формировать звёзды либо того же размера, либо в 40 раз более массивными, чем масса Солнца.
Два новых исследования предсказывают, что первое поколение звёзд могло включать в себя звёзды малой массы. Теперь нам, наблюдающим астрономам, предстоит найти их.
Это непростая задача. Звёзды малой массы имеют низкую светимость, поэтому они чрезвычайно тусклые. Несколько наблюдательных исследований недавно сообщили о возможных обнаружениях, но ни одно из них пока не подтверждено с высокой достоверностью. Если они там есть, мы в конечном итоге их найдём.