Не все конечно, но некоторые ранние звезды были в тысячи раз массивнее и в миллионы раз ярче, чем типичные современные звезды.
Одна из самых сложных задач в астрономии – найти первые звезды. Эти звезды светили и умерли в течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва, но их свет, находящийся в очень далеких уголках Вселенной, возможно, доходит до нас только сейчас, потратив 14 миллиардов лет на преодоление пространства между нами. На таком расстоянии трудно разглядеть даже галактику, не говоря уже об отдельных звездах, но многие астрономы считают, что мы приближаемся к этому, благодаря огромным размерам некоторых из этих гигантов. Почему же в ранней Вселенной звезды были намного больше тех, что существуют сегодня?
Прежде чем мы ответим на этот вопрос, немного предыстории и объяснения терминов. Сегодня тоже существуют поистине огромные звезды, но если мы говорим о размере, а не о массе. Известно, что если бы центр Бетельгейзе находился там, где сейчас находится Солнце, то его внешние границы простирались бы почти до Юпитера, в результате чего ее радиус был бы почти в 1000 раз больше солнечного, а объем – почти в миллиард раз больше. Эти цифры приблизительны, так как постоянно меняющуюся поверхность Бетельгейзе, похожую на кипящую кастрюлю, настолько трудно измерить, что оценки разнятся на 30-40 процентов. Но нет никаких сомнений, что она очень, очень большая.
Кроме того, Бетельгейзе – всего лишь наш местный сверхгигант, известный потому, что находится сравнительно недалеко. Есть звезды значительно крупнее, например VY Canis Majoris (VY Большого Пса).
Однако, хотя эти звезды имеют объем, намного превышающий объем Солнца, всё объясняется тем, что они раздулись, так как у них к концу их жизни закончился водород. А вот масса – более важный показатель звезды, и здесь диапазон меньше. Самые массивные из известных звезд в нашей галактике имеют массу около 125 солнечных масс. Эти оценки тоже приблизительны, поскольку, если у них нет звезды-компаньона, мы можем измерить массу лишь косвенно. Тем не менее, сегодня принято считать, что существует предел между 100 и 200 солнечными массами.
Очень немногие звезды достигают этого предела, скорее наоборот – большинство звезд имеют массу значительно меньшую, чем Солнце.
Так как же получается, что мы охотимся за “небесными монстрами”, которые, как считается, имеют 5 000-10 000 солнечных масс? Хотя это ещё не подтверждено, но обнаружение светящегося гелия в древней Вселенной кажется наиболее логичным объяснением, если на нем “работали” звезды с массой в 1000 раз больше массы Солнца – в 5-10 раз более массивными, чем любые звезды, что мы видим сегодня.
Первые звезды (известные как Популяция III) формировались исключительно из водорода и гелия с небольшим количеством лития, не имея всех существующих сегодня более тяжелых элементов, которые являются продуктами деятельности предыдущих звездных поколений. Эти более тяжелые элементы, которые астрономы называют металлами, обычно составляют очень малую долю от начальной массы звезд, но, как оказалось, эти небольшие примеси очень важны.
Считается, что Большой взрыв оставил после себя газовые облака, содержащие 1000 солнечных масс или около того, в точках, где гало темной материи достигли максимума. Атомарный водород – очень плохой излучатель тепла. Когда газовое облако чистого водорода разрушается, оно нагревается, поскольку его гравитационная потенциальная энергия превращается в тепло, и в конце концов достигает температуры и давления, при которых начинается термоядерный синтез, образуя звезду. Хотя мнения расходятся, большинство астрофизиков утверждают, что пока газовое облако не имеет эффективного теплового излучения, оно способно конденсироваться в одну звезду, по крайней мере в некоторых случаях.
Когда в современной Вселенной встречаются подобные участки газа, например, в областях звездообразования, таких как туманность Ориона, газ в основном состоит из водорода, но содержит смесь металлов, некоторые из которых обладают превосходными способностями к тепловому излучению. Это дополнительное излучение заставляет участки газа фрагментироваться задолго до того, как они смогут эволюционировать в звезды, тем самым предотвращая образование слишком больших небесных тел.
Это не означает, что все звезды Популяции III были гигантами. В одной из работ предполагается, что минимальная масса не превышала 0,8 солнечной массы, благодаря тому, что газ иногда распадался на более мелкие очаги. Это намного больше нынешнего минимального размера, в котором находятся такие звезды, как Проксима Центавра с массой 0,12 Солнца и являются обычным явлением. Тем не менее, это означает, что большинство ранних звезд находились в пределах предсказанного нами диапазона.
Так что поговорка “в те времена жили гиганты”, хотя и неточная для предыстории человечества, абсолютна верна для звезд. Небольшая часть ранних звезд были действительно огромными. Поскольку звездная светимость для звезд главной последовательности возрастает более чем на куб массы, мы могли бы ожидать, что звезда в 1000 раз массивнее Солнца будет ярче в миллиард раз. На самом же деле эта зависимость нарушается для звезд, масса которых превышает массу Солнца более чем в 55 раз.
Поэтому звезда массой 1 000 солнечных масс затмит наше Солнце примерно лишь в 3 миллиона раз. Этого все равно более чем достаточно, чтобы крошечное меньшинство гигантов среди первых звезд оказало огромное влияние на формирование галактик и, возможно, их сияние было видно за миллиарды световых лет.
Читайте также: Сверхмощные плазменные “лезвия” могут разрезать звезды пополам