Японские астрономы открыли ранее неизвестный способ зарождения звезд в условиях, похожих на условия в молодой Вселенной. На основе этих данных ученые сделали вывод, что первые светила могли появляться в космосе не так, как они рождаются сегодня. Это открытие поможет исследователям лучше понять, как формировались звезды 10 миллиардов лет назад.
Изображение Малого Магелланова Облака в дальнем инфракрасном диапазоне, полученное космической обсерваторией Гершель Европейского космического агентства (ESA).Точками обозначены позиции, наблюдаемые телескопом ALMA. Увеличенные изображения в желтой рамке указывают на нитевидные структуры. Изображения в синей рамке — на «пушистые» / © ALMA (ESO,NAOJ,NRAO) Tokuda et al; ESA, Herschel
Благодаря современным астрономическим инструментам ученые знают, как сегодня формируются звезды. Они рождаются в плотных и холодных «колыбелях» космоса — молекулярных облаках.
Эти области представляют собой гигантские скоплениях газа и пыли, а температура там может опускаться до нескольких десятков градусов выше абсолютного нуля (до минус 260 градусов Цельсия). Молекулярными их называют потому, что они в основном состоят из молекулярного водорода, хотя могут содержать множество различных соединений. Атомы водорода сближаются, связываются за счет ковалентной связи и образуют молекулу водорода.
Под действием гравитации газ и пыль сжимаются. Сжатый материал собирается в плотные комки — протозвезды, которые затем нагреваются. Когда температура в их центрах становится достаточно высокой, начинается ядерный синтез: водород превращается в гелий, и протозвезда загорается как настоящая звезда.
Когда в молекулярном облаке газ начинает сжиматься под действием гравитации, в нем уже присутствуют не только водород, но и некоторые тяжелые элементы (или «металлы»). Эти элементы, образовавшиеся в предыдущих поколениях звезд, способствуют охлаждению газа, помогают образовывать молекулы, которые эффективно излучают тепло.
В молекулярных облаках могут формироваться тысячи светил, а еще такие объекты очень массивные: простираются на сотни световых лет. В Млечном Пути эти облака напоминают длинные нитеобразные структуры шириной около 0,3 светового года. Ученые считают, что Солнце родилось в таком же «нитевидном» облаке.
Но как формировались светила в молодой Вселенной, где почти не было тяжелых элементов? Ответ на этот вопрос попыталась найти команда японских астрономов под руководством Казуки Токуда (Kazuki Tokuda) из Университета Кюсю. Для этого ученые изучили галактику-соседку с условиями, близкими к условиям ранней Вселенной.
Токуда и его коллеги провели наблюдения за Малым Магеллановым Облаком — карликовой галактикой в 20 тысячах световых лет от Земли. В ней в пять раз меньше тяжелых элементов, чем в Млечном Пути, что делает ее очень похожей на космическую среду Вселенной возрастом приблизительно 10 миллиардов лет. С помощью радиотелескопа ALMA в Чили ученые впервые получили детальные изображения 17 молекулярных облаков, где формируются молодые звезды, масса которых в 20 раз превышала массу Солнца.
Результаты оказались неожиданными: 60 процентов облаков имеют нитевидную структуру шириной 0,3 светового года, как в нашей Галактике. Но остальные 40 процентов выглядели иначе — напоминали «пушистые» клубки газа без четкой формы. При этом температура внутри нитевидных облаков оказалась выше, чем в «пушистых». По мнению авторов исследования, разница объясняется возрастом структур.
Токуда объяснил, что изначально все молекулярные облака были нитевидными и очень горячими, поскольку частицы в них постоянно сталкивались и разогревались. Когда облако горячее, оно спокойное, в нем не так много перемешиваний. При высокой температуре движения газа (турбулентность) слабое.
Но со временем облако остывает. Когда холодный газ попадает в эту структуру, он начинает двигаться быстрее (возрастает турбулентность) и перемешивать облако, будто «взбивает». Из-за этого нитевидная структура размывается, и молекулярное облако принимает «пушистую» форму.
«Форма облака влияет на то, какие звезды в нем образуются. Если молекулярное облако остается нитевидным, оно может разделиться на много маленьких кусочков вдоль своей длины. В каждом таком кусочке может появиться звезда, похожая на наше Солнце, с планетами вокруг. Если же облако стало пушистым, то есть нитевидная структура исчезла, то таким звездам, как наше светило, будет сложнее образоваться», — пояснил Токуда.
Авторы исследования подчеркнули, что окружающая среда молекулярного облака влияет на его форму. Например, достаточное количество тяжелых элементов позволяет сохранить нитевидную структуру и, как следствие, может играть важную роль в формировании планетарных систем.
В будущем Токуда и его коллеги планируют сравнить данные о молекулярных облаках в Малом Магеллановом Облаке с данными о таких же структурах в других галактиках. Это поможет понять, как эволюция химического состава Вселенной изменила «правила» рождения звезд.
Научная работа опубликована в The Astrophysical Journal.
