Древние химические остатки первых звезд, освещавших Вселенную, возможно, были обнаружены астрономами. Исследователи обнаружили необычное соотношение элементов, которые, по их мнению, могли появиться только из обломков, образовавшихся в результате всепоглощающего взрыва звезды первого поколения массой 300 солнечных, с помощью новаторского анализа отдаленного квазара, наблюдаемого 8.1- метровый телескоп Gemini North на Гавайях.
Самые ранние звезды, скорее всего, образовались, когда Вселенной едва исполнилось 100 миллионов лет, или менее одного процента от ее нынешнего возраста. Эти ранние звезды, известные как Population III, были настолько колоссальными, что когда они умирали как сверхновые, они разрывались на части, рассеивая уникальную смесь тяжелых элементов по межзвездному пространству. Однако, несмотря на тщательные исследования астрономов в течение многих лет, до сих пор не было никаких убедительных доказательств существования этих древних звезд.
Теперь астрономы полагают, что они обнаружили остатки взрыва звезды первого поколения после изучения одного из самых далеких известных квазаров с помощью телескопа Gemini North, одного из двух идентичных телескопов, входящих в состав Международной обсерватории Gemini. Они обнаружили очень необычный состав, используя инновационный метод определения химических элементов, содержащихся в облаках вокруг квазара — материал содержал почти в 10 раз больше железа, чем магния по сравнению с соотношением этих элементов, наблюдаемым на нашем Солнце.
Ученые считают, что наиболее вероятным объяснением этой поразительной особенности является то, что материал был оставлен звездой первого поколения, которая взорвалась как сверхновая с парной нестабильностью. Эти удивительно мощные версии взрывов сверхновых никогда не наблюдались, но предполагается, что это конец жизни гигантских звезд с массой в 150–250 раз больше массы Солнца.
Взрывы сверхновых с парной нестабильностью происходят, когда фотоны в центре звезды спонтанно превращаются в электроны и позитроны — положительно заряженную антиматерию, противоположную электрону. Это преобразование снижает радиационное давление внутри звезды, позволяя гравитации преодолеть его и приводя к коллапсу и последующему взрыву.
В отличие от других сверхновых, эти драматические события не оставляют звездных остатков, таких как нейтронная звезда или черная дыра, а вместо этого выбрасывают весь свой материал в открытый космос. Есть только два способа найти их доказательства. Во-первых, поймать сверхновую с нестабильностью пар, как это происходит, что является крайне маловероятным стечением обстоятельств. Другой способ — идентифицировать их химическую сигнатуру по материалу, который они выбрасывают в межзвездное пространство.
Для своего исследования астрономы изучили результаты предыдущего наблюдения, проведенного 8,1-метровым телескопом Gemini North с использованием спектрографа ближнего инфракрасного диапазона Gemini (GNIRS). Спектрограф разделяет свет, излучаемый небесными объектами, на составляющие его длины волн, которые несут информацию о том, какие элементы содержат объекты. Близнецы — один из немногих телескопов такого размера с подходящим оборудованием для проведения таких наблюдений.
Однако определение количества каждого присутствующего элемента является сложной задачей, поскольку яркость линии в спектре зависит от многих других факторов, помимо распространенности элемента. Авторы анализа решили эту проблему, разработав метод использования интенсивности длин волн в спектре квазара для оценки содержания присутствующих в нем элементов. Именно с помощью этого метода для анализа спектра квазара они и их коллеги обнаружили заметно низкое соотношение магния и железа.
Поиски химических свидетельств существования массивных звезд Population III предыдущего поколения среди звезд гало Млечного Пути проводились и ранее, и в 2014 году была представлена по крайней мере одна предварительная идентификация. Астрономы, однако, считают, что новый результат дает самую четкую характеристику сверхновой с нестабильностью пар, основанную на чрезвычайно низком соотношении содержания магния и железа, представленном в этом квазаре.
Если это действительно свидетельство одной из первых звезд и остатков сверхновой с парной нестабильностью, это открытие поможет заполнить нашу картину того, как материя во Вселенной эволюционировала в то, чем она является сегодня, включая нас. Чтобы проверить эту интерпретацию более тщательно, требуется гораздо больше наблюдений, чтобы увидеть, имеют ли другие объекты аналогичные характеристики.
Но мы можем найти химические сигнатуры и ближе к дому. Хотя все массивные звезды Population III давно бы вымерли, химические отпечатки, которые они оставляют в своем выброшенном веществе, могут сохраняться намного дольше и могут сохраняться и сегодня. Это означает, что астрономы могут найти следы парной нестабильности вспышек сверхновых давно ушедших звезд, все еще запечатленные на объектах в нашей локальной Вселенной.
