Согласно общепринятой модели, сразу после Большого взрыва Вселенная была очень горячей и плотной. В первые минуты происходил первичный нуклеосинтез — процесс образования атомных ядер, в результате которого сформировались ядра легких элементов: в основном водорода и гелия.
Спустя несколько сотен миллионов лет облака водорода и гелия стали сжиматься под действием гравитации, что привело к образованию первых светил, так называемых звезд поколения III. Эти светила были массивными и горячими по сравнению с типичными современными звездами. Постепенно в их ядрах запустились ядерные реакции, результатом которых стали рождение тяжелых элементов.
Когда звезды поколения III исчерпали топливо в своих недрах, они взрывались как сверхновые. При этом происходил краткий, но колоссальный всплеск энергии. Во время взрыва и в последующих процессах образовывались металлы: элементы вплоть до железа формировались в ядрах звезд, а более тяжелые, например золото, уран — преимущественно в r-процессе (в том числе и при слиянии нейтронных звезд).
Ударная волна сверхновой разносила эти элементы по космическому пространству. Газ и пыль, обогащенные тяжелыми металлами, смешивались с «первозданным» водородом и гелием. Из этой смеси формировалось следующее поколение звезд — уже с включением тяжелых металлов. С каждым таким циклом появлялись новые светила и, что важно, планеты вокруг них.
Многие астрономы «охотятся» за объектами почти «нетронутыми» временем, которые сформировались из остатков первых сверхновых. Речь идет о звездах поколения II. Эти древние тела содержат небольшое количество тяжелых металлов и помогают ученым понять, как развивалась материя в эпоху после рождения Вселенной.
Международной команде исследователей под руководством Александра Джи (Alexander Ji) из Чикагского университета в США удалось найти звезду с рекордно низкой металличностью. Объект находится в соседней галактике Большое Магелланово Облако на расстоянии 81,5 тысяч световых лет от Солнца.
Звезда, занесенная в каталог под номером SDSS J0715-7334 — достаточно холодный красный гигант (температура поверхности 4700 кельвин). Она имеет общее содержание металлов всего 0,8 частей на миллион, что примерно в 20 тысяч раз меньше, чем у Солнца, и в 10 раз меньше, чем у предыдущего рекордсмена — SMSS J0313–6708.
Астрономы обнаружили, что в SDSS J0715-7334 практически нет железа — и это вполне логично, ведь некоторые очень древние звезды тоже почти не содержат тяжелых элементов. Но неожиданным стало другое — у звезды оказалось очень низкое содержание углерода. Обычно у таких «чистых» и старых светил углерода, наоборот, много, потому что он помогает облаку газа охлаждаться, что способствует образованию звезд.
Это фундаментальное отличие указывает на то, что SDSS J0715-7334 могла сформироваться совершенно иным путем, чем ее «собратья». Современные модели звездообразования гласят, что для формирования звезды размером с SDSS J0715-7334 необходим относительно небольшой и холодный сгусток газа. Чтобы газ мог охладиться и сжаться, обычно требуются элементы (например, углерод) с эффективными электронными переходами и спектральными линиями, которые позволяют газу быстро терять тепло и коллапсировать. Отсутствие углерода в составе звезды ставит под сомнение этот сценарий.
Иными словами, SDSS J0715-7334 получилась бедной по содержанию тех элементов, которые обычно встречаются в других древних звездах.
Джи и его коллеги предложили альтернативное объяснение феномену. Возможно, в данном случае процесс охлаждения обеспечил не углерод, а космическая пыль, состоящая из частиц тяжелых элементов. Мельчайшие частицы пыли способны поглощать энергию, а затем переизлучать ее в виде тепла, в основном в инфракрасном диапазоне. Этот механизм играет важную роль в регулировании температуры межзвездной среды и помогает газу остыть. Однако прямых доказательств, что охлаждение с помощью пыли играло такую важную роль в ранней Вселенной, пока недостаточно.
Ученые пришли к выводу, что скорее всего газ в разных областях Вселенной охлаждается по-разному. Но это всего лишь гипотеза, пока нет убедительных доказательств, которые могли бы ее подтвердить или опровергнуть.
Если гипотеза верна, SDSS J0715-7334 открывает новое окно в прошлое космоса. Это значит, что условия формирования первых светил были неодинаковыми. В Большом Магеллановом Облаке звезды могли рождаться иначе, чем в Млечном Пути. В таком случае открытие поможет уточнить, как именно появились первые химические элементы и как быстро шло обогащение материи тяжелыми металлами.
Препринт работы опубликован на сайте Корнеллского университета.