Чому перші зорі кардинально відрізнялися від сучасних?

Завдяки космічній роботі телескопів Габбл та Джеймс Вебб астрономи змогли відкрити об'єкти, які є дуже близькі до найперших структур, які засяяли в молодому Всесвіті. Зокрема найвідаленіша і водночас найвіддаленіша підтверджена галактика JADES-GS-z13-0

Хоча це дійсно структура із раннього Всесвіту, але правда це ще не зовсім первісний об'єкт, так як спектографічний підпис цієї галактики свідчить, що зірки в її складі уже еволюціонували з попереднього зоряного покоління. Покоління, яке поки що ніхто ніколи не бачив.

Метали в астрономії

В астрономії всі елементи крім водню та гелію називають металами. Це пов'язано з тим, що водень і гелій утворилися у результаті Великого Вибуху, а решта елементів, були створені іншими астрофізичними процесами: термоядерні реакції в ядрах зірок, вибухів наднових, зіткнення нейтронних зір та чорних дір. Власне тому, кількість металів у Всесвіті постійно зростає.

Синтезуючи важкі елементи важкі зорі вибухають синтезуючи ще більше важких хімічних елементів, в результаті із залишків цієї зорі народжується нова із більшою кількістю важких елементів, і так вже відбувається мільярди років. Саме по цій причині кількість металів у Всесвіті росте. Та завдяки цим процесам кожне наступне покоління має суттєво більше металів ніж попередні, саме тому зорі відрізняються за хімічним склад, і за вмістом металу у зорі можна визначити до якого покоління вона відноситься.

Найбільші популяції(зоряні населення) зір

Сонце - це зоря населення І, зірки цієї популяції мають найбільшу кількість металів у своєму складі. Зорі населення ІІ - набагато бідніші на метали, сьогодні її представники - червоні карлики. Більш масивні зорі ІІ популяції вже давно вимерли залишивши по собі білих карликів та найтронних зірок, а також хмари газу і пилу, які стали сировиною для народження зір І популяції.

Чумацький Шлях багатий зірками обох типів. Молоді, яскраві зорі І покоління здебільшого зосереджені в рукавах галактики, тоді як старі зірки ІІ покоління віком більше 1 млрд років зосередженні в галактичному гало і кульових скупченнях, а також ближче до центру в галактичному балджі.

Найстаріша зірка у Всесвіті

Вона розташовується в межах нашої галактики і носить ім'я HD 140283, але вона більш відома як "Мафусаїл".

Вона розташована від Землі на відстані 190 світлових років у сузір'ї Терезів і знаходиться на першій стадії розширення до червоного гіганта. Однак її вік є дуже суперечливою темою. Її вік за допомогою моделювання її еволюції, вимірювання хімічного складу давали число 14,5 млрд років, що більше сучасного віку Всесвіту(13,8 млрд років). Однак останнє дослідження моделюючи її вік астрономи обмежили її вік до 12 млрд років.

Металічність зірки Мафусаїл оцінюється у 250 разів ніж у Сонця (Сонце: 1,22%; Мафусаїл - 0,005%). Так це справді куля з водню та гелію лише з невеликими слідами важчих елементів, але суть в тому, що навіть ця незначна частка свідчить, що зірка була народжена із матеріалу більш стародавніх зірок.

Зорі населення ІІІ

Гіпотетичне населення ІІІ це зорі, які народилися з чистого первозданного газу не забруднені жодними металами, саме їх вважають першими світилами Всесвіту. Дивність нумерації зоряних популяцій тому, що населення називали в порядку їх відкриття, тому зворотня із часом утворення зір.

Первісні хмари газу та труднощі зародження перших зір

Коли саме у Всесвіті народилася перша зоря невідомо, але теоретично це мало статися після епохи рекомбінації - епоха коли утворилися перші атоми Всесвіту(водень та гелій).

Поки що ми знаємо що газ на 75% складався із водню та його ізотопів, решта 25% припадала на гелій та його ізотопи.

Насправді карта реліктового випромінювання приховує важливу інформацію. Коливання температури що виділенні кольором насправді є крихітними варіаціями щільності речовини у ранньому Всесвіті, і саме ці варіації служили вихідними точками для утворення величезних хмар первинного газу. Якби не крихітні варіації Всесвіт був би рівномірно заповнений газом і як результат перші зорі не утворилися.

Завдяки гравітації у цих хмарах почали утворюватися зорі, але не відразу так як газ в середині хмар повинен бути дуже холодний, щоб запалити термоядерний синез не більше 10 К.

Через те, що речовина в космосі була ще гарячою, не було ефективного способу, щоб охолодити газ настільки, щоб запалити термоядерний синтез. Це пов'язано з тим, що при стисненні газ нагрівається і атоми рухаються занадто швидко, то ж в певний момент гравітація не може впоратися із цим внутрішнім тиском і колапс хмари припиняється.

Ситуація досить критична , так як поряд ще не вибухали наднові, які б стискали газ своїми ударними хвилями і тому для первинних хмар єдиний спосіб охолодити газ це - випромінювання, цей процес має вкрай низьку ефективність. Сучасні хмари ефективніше пораються із цією задачею, так як у своєму складі мають важкі хімічні елементи, які втрачають енергію через безліч перевипромінювань та зміною енергетичних рівнів електронів, а молекули ще втрачають енергію за рахунок своїх вібрацій та обертання.

Але через те, що хмари були щільніші ніж сучасні високий тиск змушував деякі атоми об'єднюватися в молекули, а оскільки молекули є кращими випромінювачами енергії це призвело до зменшення температури.

Колосальна маса перших зір

Комп'ютерні моделі показали для того, щоб гравітаційний тиск зміг подолати внутрішній тиск атомів в умовах погано охолодження первинні хмари мали бути набагато масивніші за сучасні. Тільки по справжньому масивні хмари змогли б колапсувати за таких умов. При чому під час стискання згустки речовини не розділялися на окремі згустки та з кожної такої хмари змогла народитися одна зоря. Зоря з колосальною масою в порівнянні з сучасними. Оцінки мас первинних зір коливаються від кількох сотень до кілька тисяч мас Сонця. Ці зорі горіли в мільйон разів яскравіше за Сонце. Про це також свідчить те, що жодного представника населення ІІІ ми ще не знайшли.

Варто зазначити, що чим масивніша зоря тим коротшу тривалість життя вона має, це пов'язано з тим, що зорям гігантам потрібно підтримувати великий фотонний тиск, щоб залишатися стабільною. Тому зорі населення ІІІ жили від 2-5 мільйонів років.

Завдяки тому, що гравітація заставляла їх триматися разом це в результаті призвело до утворення перших галактик.

Наднові парної нестабільності

Зорі населення ІІІ які жили не довго помирали також не типово. Сьогодні ми знаємо що зірки більше 8 мас Сонця закінчують своє життя спалахуючи наднови, однак зорі населення ІІІ мали вибухати надновими дещо іншого типу.

Зорі масою від 140-260 мас Сонця закінчують своє життя утворюючи наднові з парною нестабільністю після вибуху яких не залишається навіть чорних дір чи нейтронних зір.

Наднові парної нестабільності утворюються за рахунок того, що фотони зіштовхуються між собою утворюють електрони та позитрони, які при зіштовховані між собою анігілюють перетворюючись назад на фотон і це призводить до того, що гравітація на деякий час перемагає і стискає зорю сильніше, як результат утворюється ще більше фотонів , які ще частіше стикаються між собою і в результаті ядро стає нестабільним.

В результаті ядро руйнується, а температура підвищується настільки що створює термоядерний вибух неймовірної потужності. При цьому кожна частина зірки розривається не залишаючи жодного залишку. Звісно такі вибухи найкращий спосіб розсіяти перші важкі елементи по космосу. Фактично всі елементи синтезовані зіркою аж до заліза викидаються в космос.

Тільки зірки з малою металічністю та маса має знаходитися в певному діапазоні (від 140-260 мас Сонця) можуть вибухнути як наднові парної нестабільності.

Однак якщо зоря масивніша за Сонце в 1000 раз в результаті її вибуху, так званої гіпернової має утворитися чорна діра середньої маси. Саме такі чорні діри могли бути зародками чорних дір які живуть у центрах галактик. Зливаючись між собою вони ставали масивнішими і в результаті перетворилися в тих монстрів, що живуть в центрах галактик.