Древнее газовое облако показывает, что первые звезды образовались очень быстро

Облако было случайно обнаружено во время наблюдений за далеким квазаром, и обладает свойствами, которые астрономы ожидают от предшественников современных карликовых галактик.

Когда астрономы смотрят на отдаленные объекты, они оглядываются назад во времени. Газовое облако, обнаруженное Эдуардо Баньядосом из Института астрономии им. Макса Планка, настолько далеко, что его свету потребовалось почти 13 миллиардов лет, чтобы добраться до нас. И наоборот, свет, достигающий нас, рассказывает о том, как газовое облако выглядело почти 13 миллиардов лет назад, не более, чем через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Для астрономов это чрезвычайно интересная эпоха. В течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды и галактики, но детали этой сложной эволюции все еще в значительной степени неизвестны.

Это очень далекое газовое облако было случайным открытием. Баньядос, тогда работавший в Научном институте Карнеги, и его коллеги изучили несколько квазаров из обзора 15 самых далеких известных квазаров (z?6.5), который был подготовлен Кьярой Мадзуччелли как часть ее кандидатской диссертации. Сначала исследователи только отметили, что у квазара P183 + 05 довольно необычный спектр. Но когда Баньядос проанализировал более детальный спектр, полученный с помощью гигантского Магелланова телескопа в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, он понял, что происходит что-то еще: странные спектральные особенности были следами газового облака, которое было очень близко к далекому квазару - одно из самых отдаленных газовых облаков, которые астрономы еще не смогли определить.

Квазары являются чрезвычайно яркими активными ядрами далеких галактик. Движущей силой их яркости является центральная сверхмассивная черная дыра. Вещество, циркулирующее вокруг этой черной дыры, нагревается до температур, достигающих сотен тысяч градусов, испуская огромное количество излучения. Это позволяет астрономам использовать квазары в качестве фоновых источников для обнаружения водорода и других химических элементов при поглощении: если газовое облако находится непосредственно между наблюдателем и удаленным квазаром, часть света квазара будет поглощена.

Астрономы могут обнаружить это поглощение, изучая спектр квазара. Картина поглощения содержит информацию о химическом составе газового облака, температуре, плотности и даже о расстоянии облака от нас (и от квазара). За этим стоит тот факт, что каждый химический элемент имеет «отпечаток» спектральных линий - область узких длин волн, в которой атомы этого элемента могут излучать или поглощать свет особенно хорошо. Наличие характерного отпечатка выявляет наличие и содержание определенного химического элемента.

По спектру газового облака исследователи смогли сразу определить расстояние до облака и то, что они смотрят на первый миллиард лет космической истории. Они также обнаружили следы нескольких химических элементов, включая углерод, кислород, железо и магний. Тем не менее, количество этих элементов было крошечным, примерно в 1/800 раз больше, чем в атмосфере Солнца. Астрономы называют все элементы, более тяжелые, чем гелий, "металлами"; это измерение делает газовое облако одной из самых бедных (и отдаленных) систем, известных во Вселенной. Майкл Раух из Научного института Карнеги, соавтор исследования, говорит: «После того, как мы убедились, что рассматривали такой чистый газ всего через 850 миллионов лет после Большого взрыва, мы начали задаваться вопросом, может ли эта система еще сохранить химические подписи, произведенные самым первым поколением звезд».

Обнаружение первых поколений, так называемых звезд «населения III», является одной из наиболее важных целей в восстановлении истории Вселенной. В более поздней Вселенной химические элементы, тяжелее водорода, играют важную роль, позволяя газовым облакам разрушаться, образуя звезды. Но эти химические элементы, особенно углерод, сами производятся в звездах и выбрасываются в космос при взрывах сверхновых. Для первых звезд этих химических посредников просто не было, поскольку непосредственно после фазы Большого взрыва были только атомы водорода и гелия. Вот что делает первые звезды принципиально отличными от всех более поздних звезд.

Анализ показал, что химический состав облака не был химически примитивным, но был удивительно похож на наблюдаемые в современных межгалактических газовых облаках. Соотношения изобилия более тяжелых элементов были очень близки к соотношениям в современной Вселенной. Тот факт, что это газовое облако в самой ранней Вселенной уже содержит металлы с современным относительным химическим изобилием, создает ключевые проблемы для формирования звезд первого поколения.

Это исследование подразумевает, что образование первых звезд в этой системе должно было начаться намного раньше: ожидаемый химический выход от первых звезд уже был уничтожен взрывами, по крайней мере, еще одного поколения звезд. Конкретное ограничение по времени обусловлено сверхновыми типа Ia, космическими взрывами, которые потребуются для производства металлов с наблюдаемым относительным содержанием. Таким сверхновым требуется около 1 миллиарда лет, что накладывает серьезные ограничения на любые сценарии формирования первых звезд.

Теперь, когда астрономы нашли это очень раннее облако, они систематически ищут дополнительные примеры. Эдуардо Баньядос говорит: «Интересно, что мы можем измерить металличность и химическое содержание на столь раннем этапе истории Вселенной, но, если мы хотим идентифицировать подписи первых звезд, нам нужно исследовать их еще раньше в космической истории. Я настроен оптимистично: мы найдем еще более далекие газовые облака, которые помогут нам понять, как родились первые звезды».

Результаты были опубликованы в Astrophysical Journal.