Взрывы первых звезд Вселенной извергали мощные джеты

В ядрах первых звезд экстремальные термоядерные реакции создали первые более тяжелые элементы, включая углерод, железо и цинк. Эти первые звезды были огромными, недолговечными огненными шарами, и ученые предполагали, что они взорвались как аналогичные сферические сверхновые.

Но астрономы в Массачусетском технологическом институте обнаружили, что эти первые звезды могли взорваться более мощным, асимметричным образом, извергая мощные джеты, которые выбросили тяжелые элементы в соседние галактики. Они послужили семенами для второго поколения звезд, некоторые из которых все еще можно наблюдать сегодня.

В статье, опубликованной сегодня в Astrophysical Journal, исследователи сообщают о сильном избытке цинка в HE 1327-2326 - древней звезде, которая входит в число звезд второго поколения Вселенной. Они полагают, что звезда могла получить такое большое количество цинка только после того, как асимметричный взрыв одной из самых первых звезд обогатил ее облако газа.

«Когда звезда взрывается, некоторая часть её всасывается в черную дыру», - говорит Анна Фребель, доцент физики в Массачусетском технологическом институте и член Института астрофизики и космических исследований им. М.В. Кавли. «Только когда есть какой-то механизм, например, джет, который может вырвать материал, можно наблюдать этот материал позже в звезде следующего поколения. И мы верим, что именно это здесь произошло».

«Это первое свидетельство того, что такая асимметричная сверхновая имела место в ранней Вселенной», - добавляет Рана Эззеддин, ведущий автор исследования. «Это меняет наше понимание того, как взорвались первые звезды».

HE 1327-2326 была обнаружена Фребелем в 2005 году. В то время звезда была самой бедной металлом звездой из наблюдаемых, у нее были чрезвычайно низкие концентрации элементов, более тяжелых, чем водород и гелий, что свидетельствует о том, что она образовалась как часть второе поколение звезд.

«Первые звезды были такими массивными, что взорвались практически сразу», - говорит Фребель. «Небольшие звезды, которые сформировались как второе поколение, все еще наблюдаются и сохраняют ранний материал, оставленный первыми звездами. У нашей звезды есть только капелька элементов, более тяжелых, чем водород и гелий, поэтому мы знаем, что она сформировалась как часть второго поколения звезд».

В мае 2016 года команда смогла наблюдать звезду на близкой к Земле орбите, всего в 5000 световых лет. Исследователи с помощью космического телескопа Хаббл в течение двух недель зафиксировали свет звезды на нескольких орбитах. Они использовали инструмент Cosmic Origins Spectrograph для измерения содержания различных элементов в звезде.

«Я помню, как получал данные и видел, как выпала цинковая линия, и мы не могли поверить в это, поэтому мы переделывали анализ снова и снова», - вспоминает Эззеддин. «Мы обнаружили, что независимо от того, как мы измеряли, все равно получаем большое изобилие цинка».

Затем Фребель и Эззеддин связались с учеными в Японии, которые специализируются на разработке симуляций сверхновых и вторичных звезд. Исследователи провели более 10000 симуляций сверхновых, у каждой были разные энергии взрыва, конфигурации и другие параметры. Они обнаружили, что большинство симуляций сферической сверхновой производили вторичную звезду с элементным составом, который исследователи наблюдали в HE 1327-2326, но ни одна из них не воспроизводила сигнал цинка.

Как оказалось, единственной симуляцией, которая могла бы объяснить состав звезды с ее высоким содержанием цинка была одна из асферических, выбрасывающих джет сверхновых первой звезды. Такая сверхновая была бы чрезвычайно взрывоопасной, с мощностью примерно в нониллион (это 10 с 30 нулями) раз больше, чем у водородной бомбы.

Результаты команды могут изменить понимание ученых о реионизации, ключевом периоде, в течение которого газ во Вселенной превратился из полностью нейтрального в ионизированный - состояние, которое позволило галактикам принять форму.

«Из ранних наблюдений считалось, что первые звезды не были такими яркими или энергичными, и поэтому, когда они взорвались, не сильно участвовали в восстановлении Вселенной», - говорит Фребел. «В некотором смысле мы исправляем эту картину и показываем, что, возможно, у первых звезд было достаточно энергии, когда они взорвались, и теперь они стали серьезными претендентами на участие в реионизации и на разрушения в своих собственных маленьких карликовых галактиках».

Эти первые сверхновые также могли быть достаточно мощными, чтобы стрелять тяжелыми элементами в соседние галактики, которые еще не образовали своих собственных звезд.