Спостереження віддаленого квазара, виконані в обсерваторії Gemini («Близнюки»), вказують на зорю найпершого покоління, яка загинула внаслідок вибуху «супер наднової».
Можливо, астрономи виявили стародавні хімічні рештки перших зір, які колись освітили Всесвіт. Використавши інноваційний аналіз спектра далекого квазара, який спостерігали за допомогою 8,1-метрового телескопа Gemini North («Близнюк-Півнвч») на Гаваях (ним керує Національна дослідницька лабораторія оптичної та інфрачервоної астрономії Національного наукового фонду США — National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, NOIRLab), вчені виявили незвичайне співвідношення хімічних елементів. Науковці вважають, що такий склад можуть мати лише рештки зорі першого покоління масою 300 сонячних, які залишилися після її вибуху.
Найперші зорі, ймовірно, утворилися, коли Всесвіту було лише 100 мільйонів років, що становить менше одного відсотка його нинішнього віку. Ці перші зорі — відомі як Населення III — були такими великими, що коли вони закінчили своє життя як наднові, то розірвали себе на частини, засіявши міжзоряний простір характерною сумішшю важких елементів. Незважаючи на десятиліття старанних пошуків, астрономи досі не отримали прямих доказів існування цих первинних зір.
Вивчивши один із найвіддаленіших відомих квазарів [1] за допомогою телескопа Gemini North, одного з двох ідентичних телескопів, що входять до складу Міжнародної обсерваторії Gemini, якою управляє NOIRLab NSF, тепер астрономи гадають — їм вдалося ідентифікували речовину, котра лишилася після вибуху зорі найпершого покоління. Використавши інноваційний метод для визначення хімічних елементів, що містяться в хмарах навколо квазара, вони помітили дуже незвичайний склад — речовина містить у 10 разів більше заліза, ніж магнію, як порівняти зі співвідношенням цих елементів, виявлених на Сонці.
Науковці вважають: найвірогіднішим поясненням цієї разючої особливості є те, що це залишки речовини зорі найпершого покоління, яка вибухнула внаслідок нестабільності електрон-позитронних пар (pair-instability supernova, наднова парної нестабільності). Ці неймовірно потужні спалахи наднових астрономи ще ніколи не спостерігали, але, згідно з теорією, вони трапляються наприкінці існування зір з масою, що в 150—250 разів перевищує масу Сонця.
На малюнку художника показано вибух зорі Населення III, яка в 300 разів масивніша, ніж Сонце. Вибух, який в астрономії називають надновою парної нестабільності, руйнує зорю повністю. Прямо такі спалахи астрономи ще не спостерігали. Нове дослідження, можливо, виявило наслідки одного з них у хмарах, що оточують один із найдальших квазарів. Фото з сайту https://noirlab.edu.
Вибухи наднових парної нестабільністі відбуваються, коли фотони в центрі зорі спонтанно перетворюються на електрони та позитрони — позитивно заряджену антиматерію, що є «антиподом» електрону. Це перетворення зменшує тиск випромінювання всередині зорі й тому гравітація переважає його, що і призводить до колапсу та подальшого вибуху.
На відміну від інших наднових, після ціє драматичної події не залишається космічного тіла, тобто нейтронної зорі чи чорної діри. Натомість уся речовина потрапляє в міжзоряний простір. Є лише два способи знайти докази цих вибухів. По-перше, це спостерігати наднову парної нестабільністі, коли відбувається це явище, що є дуже малоймовірним випадком. Інший спосіб полягає в тому, щоб визначити хімічний «слід»від зорі за речовиною, яка потрапляє у міжзоряний простір після вибуху.
Під час дослідження астрономи вивчили результати попередніх спостережень, зроблених за допомогою приймача GNIRS (Gemini Near-Infrared Spectrograph) на 8,1-метровому телескопі Gemini North. Спектрограф розкладає світло, яке випромінюють небесні тіла, на окремі складові. Електромагнітне випромінювання на різних довжинах хвиль несе інформацію про те, які елементи входять до складу небесного тіла. Gemini — один із небагатьох великих телескопів, оснащених відповідним обладнанням для таких спостережень.
Однак визначення кількості кожного елемента є складним завданням, бо яскравість лінії в спектрі залежить від багатьох інших факторів, крім кількості елемента.
Двоє співавторів аналізу, Юдзуру Йошіі (Yuzuru Yoshii) та Хіроакі Самешіма (Hiroaki Sameshima) з Токійського університету, розв’язали цю проблему. Вони розробили метод, що дає змогу за інтенсивністю спектральних ліній квазара оцінити кількість наявних в його середовищі елементів. Якраз за допомогою цього методу вони та їхні колеги виявили помітно низьке співвідношення магнію та заліза.
Можливо, астрономи виявили стародавні хімічні залишки перших зір, які освітили Всесвіт. Використавши інноваційний аналіз спектра далекого квазара, який спостерігали за допомогою 8,1-метрового телескопа Gemini North («Близнюк-Північ») на Гаваях, яким керує керує Національна дослідницька лабораторія оптичної та інфрачервоної астрономії Національного наукового фонду США — National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, NOIRLab), вчені виявили незвичайне співвідношення елементів. Як стверджують науковці, воно може походити лише від залишків зорі найпершого покоління з масою 300 сонячних. Фото з сайту https://noirlab.edu.
«Для мене було очевидним, що кандидатом на супер наднову буде наднова парної нестабільністі зорі Популяції III, коли вся зоря вибухає, не залишаючи після себе жодних об’єктів», — сказав Йошіі. «Я був радий і дещо здивований, виявивши, що наднова зоря парної нестабільності, маса якої приблизно в 300 разів перевищує масу Сонця, забезпечує співвідношення магнію до заліза, котре відповідає низькому значенню, яке ми отримали для квазара».
Пошуки хімічних доказів існування попереднього покоління зір (населення III) високої маси астрономи виконували раніше серед зір в гало Молочного Шляху, і принаймні про одне попереднє виявлення було повідомлено в 2014 році. Йоші та його колеги, однак, вважають, що їхній результат дає найчіткіші ознаки наднової парної нестабільністі на основі надзвичайно низького співвідношення вмісту магнію та заліза в цьому квазарі.
Якщо це справді доказ однієї з перших зір і залишків наднової парної нестабільності, то відкриття допоможе заповнити картину того, як матерія у Всесвіті перетворилася на те, чим вона є нині, зокрема й та, з якої складаємося ми. Для ретельнішої перевірки запропоованої інтерпретації, потрібно виконати більше спостережень, щоб побачити, чи мають інші об’єкти подібні характеристики.
Ми можемо знайти хімічні сигнатури ближче до Землі. Хоча масивні зорі Населення III давно зникли, хімічні відбитки, які вони залишили у викинутій речовині, можуть існувати набагато довше і зберегтися донині. Це означає, що астрономи зможуть знайти ознаки спалахів наднових парної нестабільності давно зниклих зір, які все ще зберігаються на об’єктах у нашому місцевому Всесвіті.
«Тепер ми знаємо, що шукати; у нас є шлях», — сказав співавтор дослідження Тімоті Бірс (Timothy Beers), астроном з Університету Нотр-Дам. «Якби це сталося у ранньому Всесвіті, а це мало статися, тоді б ми сподівалися знайти цьому докази».
Примітки
[1] Світло від цього квазара поширюється протягом 13,1 мільярдів років, тобто астрономи спостерігають цей об’єкт тоді, коли Всесвіту було лише 700 мільйонів років. Це відповідає червоному зміщенню 7,54.
За інф. з сайту https://noirlab.edu підготував Іван Крячко
