Древние вспышки сверхновых могли наполнить молодую Вселенную водой

Молодые сверхновые могли распространить воду по космосу, способствуя формированию планет раньше, чем считалось ранее.

Новое исследование, проведенное командой из Портсмутского университета и Университета Объединенных Арабских Эмиратов, предполагает, что вода начала появляться в больших количествах задолго до рождения нашего Солнца — возможно, всего через 100–200 миллионов лет после Большого взрыва.

В ходе исследования команда провела серию компьютерных симуляций, которые показали, что первые взрывы сверхновых производили удивительно большое количество воды. Это указывает на то, что один из ключевых ингредиентов жизни появился во Вселенной гораздо раньше, чем предполагалось.

Создала ли ранняя Вселенная воду с помощью взрывов?

Вскоре после Большого взрыва Вселенная была погружена во тьму и состояла в основном из водорода и гелия. Когда первые звезды — так называемые звезды популяции III (или “Pop III”) — начали светиться, они принесли свет в эту тьму и проложили путь для всех последующих поколений звезд и галактик. Звезды Pop III были огромными по сравнению с большинством современных звезд, их масса достигала примерно 200 солнечных масс. Они помогли создать тяжелые элементы, необходимые для жизни, включая кислород.

Поскольку эти первые звезды почти не содержали никаких тяжелых элементов, многие ученые предполагали, что ранняя Вселенная была слишком “бесплодной” для образования хоть сколько нибудь значительного количества воды. Как знает любой школьник, вода состоит из водорода (который был в изобилии после Большого взрыва) и кислорода. Когда массивные звезды умирают в зрелищных взрывах сверхновых, они рассеивают кислород и другие тяжелые элементы в окружающее пространство.

С помощью современных симуляций исследователи проследили, как этот кислород смешивался с окружающим водородом, образуя воду в хаотических процессах первых звездных взрывов. Симуляции сосредоточились на двух типах ранних сверхновых. Одна из них была относительно скромной звездой массой в 13 солнечных, которая существовала около 12 миллионов лет перед взрывом, а другая — гигантской звездой массой в 200 солнечных, которая прожила всего 2,6 миллиона лет. По космическим меркам — где возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет — эти события произошли, когда Вселенная была еще “младенцем”. Несмотря на разницу в энергии и масштабах взрывов, каждая сверхновая выбрасывала огромное количество кислорода в окружающий газ.

После каждого взрыва горячие газовые пузыри расширялись, затем охлаждались и конденсировались в различные структуры. Начались ключевые реакции между кислородом и водородом, что привело к образованию молекул воды. В областях с низкой плотностью вода образовывалась, но в небольших количествах, так как там не происходило много столкновений между молекулами. Однако в более плотных сгустках газа — так называемых “ядрах облаков”, обогащенных металлами от взрывов, — вода накапливалась в гораздо больших концентрациях. По мере того как эти сгустки продолжали сжиматься под действием собственной гравитации, скорость образования воды резко возрастала, и к концу симуляций некоторые плотные ядра содержали количество воды, близкое к тому, что наблюдается в нашей Солнечной системе сегодня.

В статье говорится, что эти плотные, наполненные пылью ядра могли легко эволюционировать в диски вокруг молодых звезд, где начали формироваться планеты массой с Юпитер. Это означает, что в самой ранней Вселенной могли существовать потенциальные “планетные ясли”, уже содержащие обильное количество воды.

Хотя условия во Вселенной в те времена были суровыми, с интенсивным ультрафиолетовым излучением от новообразованных звезд, эти симуляции показывают, что пылевые зерна и плотный газ могут служить защитным барьером, предотвращая разрушение молекул воды. Со временем, по мере формирования большего количества звезд и галактик, вода, попавшая в эти молодые галактики, могла заложить основу для более сложной химии и, в конечном итоге, для самой жизни.

Теоретически, если астрономы смогут заглянуть в достаточно ранние периоды космической истории, определенные линии излучения от нагретого водяного пара могут быть обнаружены с помощью таких инструментов, как Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка (ALMA). Ближе к нам, планеты, формирующиеся вокруг самых ранних бедных металлами звезд, могут содержать следы этой древней воды, что даст представление о том, насколько распространены условия, благоприятные для жизни, в галактическом масштабе.

Хотя исследователи отмечают, что пока рано утверждать, что жизнь могла возникнуть в таких условиях, эти открытия, по крайней мере, показывают, что один из ключевых ингредиентов жизни — жидкая вода — был во Вселенной изобилии.

Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv.