Галактики и звёзды ранней Вселенной выглядят гораздо более необычно, чем те, что мы наблюдаем сегодня, и астрономы хотят понять причину этого. Команда исследователей из Университета Юты решила изучить определённые звёзды в близлежащих галактиках как аналоги тех, что существовали, когда Вселенная была ещё совсем молодой. Проект получил название «Сокровищница чрезвычайно бедных металлами O-звёзд» (Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars, TEMPOS); в его рамках использовалось ультрафиолетовое излучение этих относительно близких звёзд, зафиксированное спектрографом Cosmic Origins Spectrograph космического телескопа «Хаббл».
Полученное исследование может дать астрономам куда более точные модели гигантских звёзд «населения III», которые сформировались первыми через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, сообщила руководитель работы Грейс Телфорд, доцент физики и астроном из Юты. Набор данных её команды позволяет выделить такие звёзды для углублённых астрофизических исследований. Массивные светила, подобные тем, что попали в обзор и воспроизводят условия ранней Вселенной, оказывают огромное влияние на эволюцию своих галактик.
«Они горят очень горячо, ярко и быстро, а свою короткую жизнь завершают взрывами сверхновых, которые выбрасывают в окружающий газ много энергии и вещества, — сказала Телфорд. — Они управляют эволюцией своих галактик, нагревая и по сути регулируя газ, который затем может остыть и пойти на формирование новых звёзд».
Одной из главных задач телескопа «Хаббл» всегда было заглянуть как можно дальше в космическое время. Его наблюдения далёких галактик начались с первого глубокого обзора в 1995 году. Уже тогда найденные крошечные далёкие галактики выглядели странно и не походили на современные. Астрономы хотели понять историю формирования ранней Вселенной: что появилось раньше — звёзды или галактики. Выяснилось, что первые звёзды, вероятно, были такими гигантами, возникшими из огромного количества водорода, доступного в молодом космосе. Эти светила более чем в десять раз превосходили по массе Солнце, а их поведение — яркое свечение и быстрое горячее горение — означало, что жили они куда меньше, чем звёзды вроде Солнца (относящегося к населению I).
Кроме того, они были так называемыми «бедными металлами». Первые звёзды состояли в основном из водорода и гелия. Элементы тяжелее этих двух — углерод, кислород, азот и другие — астрономы называют «металлами». Поэтому звезда, бедная металлами, состоит преимущественно из водорода, и эти ранние светила как раз подходили под такое описание. Но, как и большинство звёзд, они превращали водород в гелий, а затем в более тяжёлые металлы вплоть до железа. Когда они погибали в мощных катастрофических взрывах сверхновых, созданные в звёздной кузнице элементы рассеивались в межзвёздной среде.
Самые первые галактики Вселенной, состоявшие из водорода и таких звёзд, тоже были бедны металлами. Это менялось по мере того, как их звёзды умирали и разбрасывали свои остатки в пространстве. Изучение этих странных массивных звёзд ранних эпох даёт много уникальных сведений о том, какими были условия в первых галактиках. По словам Телфорд, массивные звёзды наших дней не дают того же представления о древних условиях. Именно поэтому было важно искать бедные металлами звёзды в галактиках, которые служат аналогом ранней Вселенной. «Массивные звёзды с низким содержанием металлов особенно важны для построения точных моделей ранних галактик, — отметила Телфорд. — И мы не можем интерпретировать эти наблюдения, изучая лишь поведение богатых металлами массивных звёзд в Млечном Пути».
Каталог TEMPOS охватывает близлежащие маломассивные карликовые галактики, которые больше похожи на древние галактики, чем на Млечный Путь. Млечный Путь (и Солнце) определённо не бедны металлами, поэтому команда искала ответы за пределами нашей галактики. Исследование TEMPOS было сосредоточено на 29 массивных бедных металлами звёздах в галактиках, чья металличность намного ниже солнечной. Ультрафиолетовые спектры этих звёзд показали их содержание металлов, а также характеристики звёздных ветров. Эти ветры уносят вещество от звёзд, подобно тому как солнечный ветер действует для нашего Солнца.
Ветры массивных звёзд — главный способ, которым эти объекты теряют массу в космос (до своей гибели). Металличность определяет силу этих ветров, поскольку ионы металлов связывают излучение звезды с теряемым веществом. Как правило, для таких звёзд чем ниже металличность, тем слабее ветры. Это значит, что за свою жизнь они теряют меньше массы через звёздные ветры. Данные TEMPOS отражают эти характеристики: у звёзд с самой низкой металличностью скорость ветра резко падает. Если такие звёзды теряют меньше массы за свою жизнь (до взрыва сверхновой), то их эволюция и eventual (конечная) гибель влияют на то, как развиваются их галактики.
Особую роль в звёздных ветрах играет один элемент — железо. Только самые массивные звёзды образуют железо в своих ядрах, те, что погибают во взрывах сверхновых. В бедных металлами областях оно довольно редко, но астрономы хотят знать, сколько его содержится в галактике. Команда TEMPOS обнаружила признаки поглощения железа в ультрафиолетовых спектрах, полученных с помощью Hubble COS. Результат интригует и потребует дальнейших исследований и данных. По сути, они выяснили, что массивные звёзды в галактиках с высокой металличностью дают более сильные сигналы железа, чем звёзды в бедных металлами галактиках. Если этот результат подтвердится для более далёких ранних галактик, то возможно, что бедные металлами звёзды ранних эпох всё же могут обладать разным содержанием железа. Это покажет астрономам, как работает физика массивных звёзд и как она меняется в зависимости от количества железа даже в очень бедных металлами областях молодой Вселенной.
Работа TEMPOS имеет непосредственное применение для наблюдений раннего космоса, которые ведёт телескоп JWST. Сейчас он расширяет наш обзор до некоторых самых ранних эпох наблюдаемой Вселенной и, возможно, уже близок к тому, чтобы получить хорошие изображения первых родившихся звёзд. Данные обзора находятся в открытом доступе через архив Mikulski Archive for Space Telescopes Научного института космического телескопа.