Первые звёзды были совсем не похожи на относительно холодные и долговечные звёзды, которые в основном населяют Вселенную сегодня. В то время, более 13 с половиной миллиардов лет назад, почти вся видимая материя во Вселенной состояла из водорода с небольшим количеством гелия.
Без более тяжёлых элементов первые звёзды, когда-то вспыхнувшие в результате ядерного синтеза, яростно сжигали запасы водорода, а затем взрывались как сверхновые. Эти гиганты увеличивались в сотни раз по сравнению с Солнцем и жили всего несколько миллионов лет. Для сравнения, нашей родной звезде около 4,6 миллиарда лет, и она будет жить ещё как минимум столько же.
Однако астрономы никогда не видели этих ранних звёзд. Они зажглись в конце периода, называемого космическими тёмными веками, когда Вселенная была заполнена непрозрачным водородным газом. Свет этих звёзд недостаточно яркий, чтобы его можно было обнаружить по отдельности даже с помощью самых мощных телескопов. Чтобы заглянуть в сердца этих монстров, учёные прибегают к суперкомпьютерному моделированию, например, к этому недавнему исследованию первичного звёздного облака из ранней Вселенной.
«Что для нас прекрасно, так это то, что мы на самом деле знаем физику и уравнения, описывающие поведение материи и работу гравитации, — говорит Том Абель, астрофизик-вычислитель из Стэнфордского института Кавли по астрофизике и космологии частиц (KIPAC), который провёл моделирование вместе с разработчиком программного обеспечения Ральфом Келером, также из KIPAC. — Это даёт вам основу для размышлений о том, как одно могло превратиться в другое».
Этот процесс преобразования, когда звёзды превращали более лёгкие элементы в более тяжёлые металлы, привёл к эволюции Вселенной. В астрономии всё, что тяжелее гелия, считается «металлом», и эти новые элементы впервые появились, когда самые первые звёзды взорвались как сверхновые и разбросали своё содержимое по космосу.
В какой-то момент скопления звёзд объединились и сформировали первые галактики, в том числе самые ранние структуры Млечного Пути. Накапливались металлы, и из этих более тяжёлых элементов формировались новые поколения звёзд, многие из которых становились меньше, холоднее и долговечнее. Вокруг некоторых из этих звёзд остатки пыли — материала, образовавшегося во время сверхновых, — сконденсировались и сформировали первые планеты.
Рождение первых звёзд представляет собой начало процесса, в результате которого появились все миры и живые существа во Вселенной, и моделирование можно использовать для изучения важнейших первых этапов, которые ещё не видны телескопам.
Слои космического облака
Благодаря достижениям в области физики и вычислительной техники учёные могут моделировать Вселенную с постоянно растущими возможностями. Вдохновлённый запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб», который быстро начал обнаруживать более ранние галактики, чем когда-либо прежде, Абель в течение нескольких месяцев проводит новые симуляции ранней Вселенной с разрешением почти в тысячу раз выше, чем было возможно, когда он начал работать над космологическими компьютерными моделями более 20 лет назад.
Это позволяет экспериментировать, — говорит Абель. — Если я немного изменю это, знаете, что произойдёт? Так вы сможете понять, как устроена Вселенная и как все части сочетаются друг с другом.
Чтобы зажглись первые звёзды, газ должен был скопиться в достаточно плотных облаках, чтобы атомы водорода начали превращаться в гелий, выделяя тепло и энергию. Это произошло благодаря гравитационным силам невидимой руки: тёмной материи. До того, как зажглись первые звёзды, эта невидимая материя, которая, по мнению астрономов, составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной, собиралась в структуры, называемые гало тёмной материи.
Эти огромные сферы, названные так из-за того, что тёмная материя окружает видимый материал и создаёт кольца тьмы, окружающие свет, образуют каркас Вселенной. Внутри них мутные скопления газа сжимались, разжигая огонь, который положит конец космическим тёмным векам.
По словам Абеля, одно из преимуществ моделирования первых звёзд заключается в том, что можно понять, как фундаментальные физические свойства водорода, самого маленького и лёгкого элемента, повлияли на формирование гигантских звёзд, которые изменили Вселенную.
В тёмные века большинство этих атомов находилось в форме нейтрального водорода, то есть отдельных атомов, свободно летающих в космосе. В центрах крупных гало тёмной материи, где скапливалось много нейтрального водорода, температура повышалась, и отдельные атомы иногда сталкивались и соединялись, образуя молекулы из двух атомов водорода.
В этот момент всё начало меняться. Как показывает симуляция Стэнфорда, формируется облако диаметром около тысячи световых лет, в котором накапливаются молекулы водорода. Внешние слои этого облака начали охлаждаться, потому что вновь образованные молекулы водорода время от времени испускают фотоны света, отдавая энергию и тепло. По мере снижения температуры падающий газ замедляется, а материал позади него накапливается, создавая ударные волны в облаке.
«Здесь так много структур, — говорит Абель о различных слоях формирующегося звёздного облака в симуляции. — Это так интересно».
В глубине облака дополнительные слои нагреваются или охлаждаются, что приводит к более турбулентным столкновениям. Процессы охлаждения также снижают давление газа, выталкиваемого наружу, — основного фактора, противостоящего гравитации. Неумолимо, постепенно облако сжимается.
«По сути, произойдёт следующее: сформируется объект массой около 10 масс Юпитера, а затем он будет очень быстро расти», — говорит Абель.
Ученые не знают точно, насколько большими стали эти первые звезды по мере накопления газа, но, возможно, они выросли в сотни раз по сравнению с Солнцем.
Сверхзарядка Вселенной
Интенсивное излучение, испускаемое первыми звёздами, не только рассеивало металлы в сверхновых, но и бомбардировало космос ультрафиолетовым светом. Это излучение лишало нейтральные атомы водорода электронов и делало газ более прозрачным. Это ключевой момент в истории космоса, известный как реионизация.
Хотя мы, возможно, никогда не найдём самую первую звезду, вспыхнувшую в бездне, наша способность моделировать космос даёт всё более чёткое представление о том, каким было это ключевое время. Такое моделирование также может раскрыть некоторые аспекты будущего Вселенной.
«Вы можете изучать самое первое, чего мы ещё не видели, — говорит Абель, — и вы можете изучать самое последнее, что люди когда-либо могли увидеть».