Космические оборотни: как загадочные «красные точки» превратились в шаровые скопления

Сегодня палеонтологам доподлинно известно: динозавры не вымерли полностью — многие из них эволюционировали в современных птиц. Похоже, схожий сценарий разыгрался и в космосе. Новое исследование указывает на то, что «космические динозавры», обнаруженные телескопом имени Джеймса Уэбба (JWST), также не канули в Лету. Вероятно, они превратились в знакомые нам объекты современной Вселенной — огромные конгломераты плотно упакованных звезд, называемые шаровыми скоплениями.

Речь идет о так называемых «Маленьких красных точках» (Little Red Dots), которые поставили астрономов в тупик в 2022 году, когда JWST начал массово регистрировать их спустя примерно 600 миллионов лет после Большого взрыва. Загадка заключалась в том, что эти объекты, по всей видимости, исчезали по мере взросления космоса, не доживая до его 2-миллиардного дня рождения.

Астрономы выдвигали множество различных объяснений природы «Красных точек», включая гипотезу о том, что это могли быть «звезды-черные дыры» — черные дыры, окутанные обширными оболочками из плотного газа и пыли. Однако команда ученых из Техасского университета в Остине предложила более элегантную теорию. Согласно их модели, формирующееся шаровое скопление со сверхмассивной звездой в центре — гипотетическим недолговечным телом массой от 1 000 до 10 000 масс Солнца — в самом своем сердце будет выглядеть точь-в-точь как одна из этих «Красных точек».

Знакомая структура с незнакомым прошлым

Руководитель исследования Джон Чизхолм комментирует: «Возможно, это не просто странная новая популяция объектов JWST, не имеющая связи с окружающей нас сегодня Вселенной. Напротив, "Красные точки" могут сохраняться за пределами ранней Вселенной, эволюционируя в нечто относительно привычное для нас». Ученый подчеркивает, что спектр гипотез широк: «"Маленькие красные точки" могут быть галактиками, они могут быть связаны с черными дырами или оказаться чем-то еще более неожиданным. Наша работа показывает, что формирующиеся шаровые скопления со сверхмассивными звездами должны быть частью этого обсуждения».

Шаровые скопления, как правило, наблюдаются в крупных галактиках и представляют собой плотные группы, содержащие до многих миллионов древних звезд. В нашем Млечном Пути насчитывается по меньшей мере 150 таких скоплений. Но, несмотря на их привычность, астрономы до сих пор не до конца понимают, как именно они рождаются. «Обычно мы видим их спустя миллиарды лет эволюции, когда их массивные звезды уже исчезли, газ рассеялся, а динамические процессы изменили их массы и структуры, — поясняет Даниэль Берг, участница исследовательской группы. — Это чрезвычайно затрудняет реконструкцию первоначальных условий, в которых они сформировались».

Считается, что звезды в шаровых скоплениях сформировались практически одновременно в ранней Вселенной. Однако в те времена космос располагал лишь водородом, гелием и ничтожной примесью более тяжелых элементов (которые астрономы называют «металлами»). Казалось бы, именно из этого материала должны были состоять звезды, но многие из них обладают странным химическим составом: они неожиданно богаты гелием и такими металлами, как азот, натрий и алюминий, при этом в них наблюдается дефицит ожидаемого углерода, кислорода и магния.

Секрет химической аномалии

«Эта специфическая картина указывает на ядерный синтез при очень высоких температурах — гораздо более высоких, чем в ядрах даже самых массивных обычных звезд, — объясняет Майк Бойлан-Колчин. — Сверхмассивная звезда — это как раз та среда, которая могла бы произвести такую комбинацию элементов».

Сверхмассивные звезды, способные генерировать столь экстремальный жар, формировались бы в сверхплотной среде ранних протоскоплений, где звездные столкновения и слияния происходили непрерывно. Век таких гигантов был бы недолог — около одного миллиона лет (для сравнения, нашему Солнцу сейчас 4,6 миллиарда лет). Однако этого времени было бы достаточно, чтобы синтезировать элементы, объясняющие аномальный химический профиль шаровых скоплений. Когда эти сверхмассивные звезды погибали во вспышках сверхновых, синтезированные ими элементы разлетались по округе, становясь строительными блоками для следующего поколения звезд и оставляя им в наследство свою необычную химическую подпись.

Визуальная эволюция здесь драматична. «В нашей модели сверхмассивная звезда, которая помогает объекту выглядеть как "Красная точка", живет лишь короткое время, — продолжает Чизхолм. — Как только эта звезда умирает, объект может перестать выглядеть как "Маленькая красная точка", даже если само скопление сохраняется на протяжении миллиардов лет».

И странная химия — не единственное связующее звено. Команда отмечает, что распределение «Красных точек» в ранней Вселенной совпадает с распределением современных шаровых скоплений. Кроме того, моделирование показывает, что их предполагаемые массы могли бы легко эволюционировать в массы тех шаровых скоплений, которые мы видим в недавней Вселенной. Со временем из плотного газового кокона, скрывающего неистовое горение сверхмассивного светила, на свет появляется «голое» шаровое скопление — такой, каким мы его знаем сегодня. Его звезды-долгожители продолжают свое обращение вокруг центра галактик, становясь живыми памятниками бурной эпохе юности космоса.

Наконец, сошлось и время появления объектов. «Красные точки» возникают примерно через 600 миллионов лет после Большого взрыва — именно в тот период, когда, по оценкам ученых, и должны были начать формироваться шаровые скопления. Бойлан-Колчин резюмирует: «На данный момент нет единственной "дымящейся улики", которая бы неопровержимо доказывала, что "Маленькие красные точки" — это шаровые скопления. Однако эта гипотеза объяснила бы массу разнообразных и неожиданных наблюдательных данных».

Источники:

1. Материалы исследования команды Джона Чизхолма (Техасский университет в Остине), пресс-релиз.

2. Статья в репозитории препринтов arXiv о связи Little Red Dots с формированием шаровых скоплений.

3. Данные наблюдений космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) за ранней Вселенной (NASA, ESA, CSA).