Дитя первых звёзд: астрономы нашли звезду, почти не содержащую металлов

Нетронутая звезда, в которой почти нет элементов тяжелее водорода и гелия, может оказаться прямым потомком одной из первых звёзд Вселенной. Если бы звёзды были подобны мифам, то первое поколение звёзд, существовавших в космосе, можно было бы сравнить с богами древней Греции — массивными, загадочными и оказавшими огромное влияние на всё, что появилось после них.

Мы называем эти первые звёзды «звёздами населения III». Звёзды населения I — это более молодые звёзды, такие как Солнце, а звёзды населения II сформировались в течение нескольких миллиардов лет после первых звёзд. Однако никто никогда не видел этих первых звёзд, «потому что они были массивными, жили быстро и умирали молодыми, а звёзды населения III с наименьшей массой, которые могли бы сохраниться до наших дней, чрезвычайно редки», — пояснил Кевин Шлауфман из Университета Джонса Хопкинса.

Итак, хотя мы всё ещё не видели звезду населения III, звезда SDSS J0715-7334 — это следующее, что можно назвать лучшей альтернативой: звезда, сформировавшаяся из почти нетронутого облака газа, которое было загрязнено тяжёлыми элементами, образовавшимися при взрыве сверхновой звезды населения III. SDSS J0715-7334 была первоначально идентифицирована Шлауфманом в данных Слоановского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey) в 2014 году, а затем независимо открыта в 2025 году командой студентов под руководством Александра Цзи из Чикагского университета.

В первые три минуты после Большого взрыва существовало только три элемента: водород, гелий и мельчайшие следы лития. Это всё, что было у Вселенной для формирования первых звёзд. Все остальные элементы периодической таблицы впоследствии были образованы звёздами, начиная со взрывов сверхновых самых массивных звёзд населения III. Тяжёлые элементы, образовавшиеся при бурной смерти одной звезды первого поколения, быстро загрязнили первичное облако молекулярного водорода и гелия, которое затем коллапсировало, сформировав SDSS J0715-7334. Это должно было произойти в течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Используя высокодисперсионный спектрограф на 6,5-метровом телескопе Magellan Clay в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, команда под руководством Цзи и при участии Шлауфмана провела последующие наблюдения SDSS J0715-7334, чтобы количественно определить содержание в ней тяжёлых элементов, которые астрономы называют «металлами» (но которые включают такие элементы, как углерод и кислород, а также алюминий и железо). Наше Солнце состоит из 74,9% водорода, 23,8% гелия и 1,3% металлов, что свидетельствует о многих поколениях звёзд на протяжении космического времени, которые создали изобилие тяжёлых элементов во Вселенной. С другой стороны, команда Цзи и Шлауфмана обнаружила, что SDSS J0715-7334 почти полностью состоит из водорода и гелия, с содержанием металлов всего 0,005% от того, которым обладает наше Солнце. Ни одной другой звезды с таким нетронутым составом и таким малым количеством тяжёлых элементов найдено не было. Предыдущий рекордсмен — звезда в нашем Млечном Пути, каталогизированная как SDSS J1029+1729, — имеет вдвое больше тяжёлых элементов, чем SDSS J0715-7334.

«В этой звезде так мало углерода, что это позволяет предположить, что раннее рассеяние космической пыли ответственно за её образование», — сказал Цзи в другом заявлении. «Хотя эта звезда сама по себе не имеет первичного состава, она является самым близким из того, что астрономы когда-либо получали к поколению звёзд населения III по этой конкретной метрике», — добавил Шлауфман.

На основе химического состава SDSS J0715-7334 команда Цзи и Шлауфмана смогла реконструировать массу звезды-родителя и энергию её сверхновой, которая произвела обломки, загрязнившие родное облако звезды. Они обнаружили, что звезда населения III, которая погибла, имела массу не менее 30 масс нашего Солнца, а её взрыв сверхновой был более энергичным, чем типичные сегодняшние взрывы.

SDSS J0715-7334 была обнаружена на расстоянии 80 000 световых лет, где она, по-видимому, мигрирует из внешнего гало Большого Магелланова Облака (БМО), поэтому студенты Цзи прозвали звезду «Древним иммигрантом». Наряду со своим спутником Малым Магеллановым Облаком, БМО является недавним пришельцем к берегам Млечного Пути, и на протяжении большей части своей истории Магеллановы Облака не формировали звёзды и не наращивали свой химический запас. Только с тех пор, как они оказались под гравитационным влиянием Млечного Пути, внутри них действительно начались активные процессы.

«Возможно, мы обнаружим относительно более высокую долю сверхбедных металлами звёзд в таких галактиках, как Магеллановы Облака, чем в нашем собственном Млечном Пути», — сказал Шлауфман. Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS) является отличным инструментом для охоты на древние, нетронутые звёзды, такие как SDSS J0715-7334. Расположенный в обсерватории Апачи-Пойнт в Нью-Мексико, он проводит широкомасштабные обзоры ночного неба, выполняя оптические и инфракрасные спектроскопические измерения миллионов звёзд и галактик.

«Предстоит ещё много работы, чтобы понять, что на самом деле происходило в ту далёкую-далёкую эпоху, когда Млечный Путь был молод», — сказал Шлауфман. «Мы лишь поверхностно коснулись этого вопроса на нынешнем этапе Слоановского цифрового небесного обзора». Исследование было опубликовано в номере журнала Nature Astronomy от 3 апреля.

Открытие SDSS J0715-7334 — это не просто очередная запись в астрономическом каталоге. Это окно в эпоху, которую учёные называют «космическими тёмными веками» — период между Большим взрывом и появлением первых источников света. До сих пор наши знания о первом поколении звёзд были исключительно теоретическими, основанными на сложных компьютерных моделях. Теперь же, анализируя химический «отпечаток пальца», оставленный сверхновой на газовом облаке, из которого родилась SDSS J0715-7334, астрономы получили эмпирические данные о том, какими были эти гиганты.

Особенно интригующим оказался тот факт, что звезда-прародитель, судя по всему, взорвалась как сверхновая с энергией, значительно превышающей типичную для сегодняшних массивных звёзд. Это может указывать на то, что в ранней Вселенной механизмы звёздной смерти работали иначе — возможно, первые звёзды вращались быстрее, имели иную структуру или даже коллапсировали непосредственно в чёрные дыры, не оставляя после себя видимого взрыва. В случае же со звездой, породившей SDSS J0715-7334, взрыв всё-таки произошёл, но был аномально мощным.

Прозвище «Древний иммигрант» также оказалось пророческим. Дальнейший анализ орбиты звезды показал, что она не всегда была частью Млечного Пути. Она сформировалась в пределах гравитационного колодца Большого Магелланова Облака, а затем, в результате сложных гравитационных взаимодействий, была «выброшена» в наш Галактический ореол. Это открытие поднимает новые вопросы о том, насколько активно происходил обмен веществом между ранними галактиками. Возможно, многие из самых древних звёзд, которые мы находим на окраинах Млечного Пути, на самом деле являются «беженцами» из соседних карликовых галактик, которые были разорваны гравитацией нашей Галактики миллиарды лет назад.

Команда уже планирует новые наблюдения, используя более мощные телескопы, такие как Европейский чрезвычайно большой телескоп (ELT), который должен вступить в строй в конце этого десятилетия. Его беспрецедентная чувствительность позволит измерить содержание ещё более редких элементов в таких сверхбедных металлами звёздах, возможно, даже обнаружить следы радиоактивных изотопов, которые могли образоваться только в недрах первых сверхновых. И, кто знает, возможно, SDSS J0715-7334 — это только первый «ласточка», и вскоре мы найдём ещё более нетронутую звезду, которая приблизит нас к прямому наблюдению звёзд населения III — тех самых «богов» нашей Вселенной, чей свет погас миллиарды лет назад, но чьё влияние мы всё ещё можем измерить.