Нове дослідження показує, що перші зорі не були такими велетнями, як очікували астрономи, — що може пояснити, чому науковці їх ще не бачили.
Хаотична турбулентність у первинних хмарах газу, можливо, запобігла утворенню дуже масивних зір. На це вказують результати нового комп’ютерного моделювання, яке виконали тайванські астрономи.
Ранній Всесвіт складався переважно з водню та гелію, які, на відміну від важчих елементів, не утворюють багато випромінювання. Тому газовим хмарам, які були місцями народження зір, було важко охолонути достатньо для формування цих об’єктів — гравітації доводилося боротися з високим тиском газу. Ось чому більшість астрономів вважають, що перші зорі Всесвіту мали бути справжніми велетнями, в сотні разів масивнішими, ніж Сонце.
Але, за словами Ке-Джун Чена (Ke-Jung Chen) з Інституту астрономії та астрофізики Академії Сініка (Тайвань) та його колег, ця проста картина є неповною. Їхні докладні комп’ютерні симуляції показують, що ці хмари, які стискалися (колапсували), зазнавали надзвукової турбулентності — газ рухався зі швидкістю, що майже вп’ятеро перевищує швидкість звуку. Ударні хвилі, які виникли внаслідок цього, розбили більші хмари на менші фрагменти і навіть допомогли гравітації подолати тиск газу.
Це 3D-зображення показує кілька щільних газових згустків посередині гало, представлених як жовто-червоні плями. Один з цих згустків став достатньо щільним, щоб почати руйнуватися під дією власної гравітації — процес, який називається нестабільністю Джинса. Зі згустка формується зоря першого покоління (зоря Покоління III) з масою приблизно у 8 разів більшою, ніж маса Сонця. Авторські права на зображення: ASIAA / Meng-Yuan Ho & Pei-Cheng Tung. Фото з сайту https://skyandtelescope.org.
Щоб дійти такого висновку, наукова група адаптувала IllustrisTNG, код для суперкомп’ютерного моделювання нашого космосу. Дослідники зосередили увагу на єдиній масовій концентрації в ранньому Всесвіті — так званому міні-гало темної матерії масою близько 10 мільйонів сонячних мас. Використовуючи метод під назвою розщепленням частинок, вони зрештою змогли відстежити частинки масою лише 0,2 сонячної маси (крихітний показник, як порівняти з оригінальним моделюванням, яке має частинки масою 84 000 сонячних мас). Моделювання зі зменшеним масштабом показало, що газ, який зазнає стискання, стає дуже турбулентним на масштабах кількох світлових років. Він утворює численні щільні згустки, які породжують зорі масою всього вісім сонячних мас.
«Наші результати показують, що надзвукова турбулентність може бути поширеною в первинних гало і може відігравати вирішальну роль у фрагментації хмар, забезпечуючи [спосіб] формування менш масивних перших зір», — пишуть автори в Astrophysical Journal Letters від 30 липня.
Ці рисунки показують (зліва направо) три різні моменти формування мінігало. Лініями позначено напрямок руху газу. Спочатку газ розтягнутий і гладкий, але в міру того, як мінігало набуває форми, газ стає концентрованішими. Усередині мінігало виникають довгі, ниткоподібні та грудкуваті структури, ймовірно, спричинені нерівномірними потоками газу раннього Всесвіту, що течуть всередину. Авторські права на зображення: ASIAA / Meng-Yuan Ho & Pei-Cheng Tung. Фото з сайту https://skyandtelescope.org.
Космолог Рієн ван де Вейґарт (Rien van de Weygaert) з Ґронінґенського університету в Нідерландах вражений новою роботою. «Проблема космологічних симуляцій завжди полягає в тому, що ви хочете бачити дрібні деталі, але вам також потрібно мати справу з процесами в масштабі мільйонів світлових років», — сказав він. «Тут наукова група досягла як високої роздільної здатності, так і широкого динамічного діапазону».
Однак ван де Вейґарт також попереджає, що жодне комп’ютерне моделювання не може бути ідеальним. «Наприклад, Чен та його колеги не враховують процеси випромінювання — те, що ви дійсно не можете ігнорувати в таких масштабах», — зауважив він.
За останні роки з’явилися інші ознаки того, що надзвичайно масивні зорі мали бути відносно рідкісними в ранньому Всесвіті. Очікується, що зорі масою від 130 до 250 сонячних мас завершать своє коротке життя в так званих наднових з парною нестабільністю, які мають залишити характерні сліди у складі наступних поколінь зір. Однак ці хімічні відбитки є менш поширеними, ніж очікували астрономи. Ці нові комп’ютерні симуляції можуть пояснити, чому.
За інф. з сайту https://skyandtelescope.org
