Утворення зір у ранньому Всесвіті було енергійним процесом, внаслідок якого виникли величезні зорі. Ці гіганти, яких в астрономії називають зорями Населення ІІІ, були масивними, дуже яскравими зірками, що жили недовго. Багато з них закінчили існування, коли спалахнули як первинні наднові. Але навіть ці ранні зорі зіткнулися з обмеженнями зростання.

Зоряний зворотний зв’язок відіграє певну роль в сучасному зореутворенні. Коли молоді зорі ростуть, вони утворюють потужне випромінювання, яке може розсіювати навколишній газ, потрібний їм для подальшого зростання. Це називається протозоряним зворотним зв’язком через випромінювання (protostellar radiative feedback). Він має місце на додаток до обмежувального ефекту на їхнє зростання, який чинять магнітні поля цих зір.

Однак нові дослідження показують, що зростання зір Населення ІІІ головно обмежували їхні магнітні поля. Стаття науковців, де викладено результати дослідження, має назву «Magnetic fields limit the mass of Population III stars even before the onset of protostellar radiation feedback» («Магнітні поля обмежують масу зір Населення III ще до початку протозоряного зворотного зв’язку через випромінювання»). Перший автор — Піюш Шарда (Piyush Sharda), астрофізик з Лейденської обсерваторії в Нідерландах. Стаття доступна на сервері попередніх публікацій arxiv.org.

Астрономи спостерігають за формуванням зір у сучасному Всесвіті, щоб зрозуміти, як відбувається такий процес. Це складно, бо зорі формуються дуже довго, а науковці спостерігають за молодими зірками з великої відстані лише кілька десятиліть. Зорі — це масивні, енергійні, складні об’єкти, які нелегко розкривають свої секрети.

Є багато запитань без відповіді про утворення зір, але загальна картина вимальовується. Все починається з хмари холодного молекулярного водню, яка розпадається на щільні ядра. Ці ядра стають протозорями, які також називають молодими зоряними об’єктами (young stellar objects, YSO). Навколо молодих зір виникають акреційні диски, і саме там з’являється зворотний зв’язок через випромінювання.

На малюнку художника показано молодий зоряний об’єкт і обертовий акреційний диск навколо нього. Авторські права на зображення: NASA/JPL-Caltech. Фото з сайту www.universetoday.com.

Коли молоді зорі нарощують масу, вони нагріваються і випромінюють це тепло назовні у власні акреційні диски. Це спричиняє нагрівання речовини в диску, що уповільнює або навіть зупиняє процес акреції. Тому зворотний зв’язок через випромінювання обмежує зростання зорі.

Молоді зоряні об’єкти також обертаються швидше, ніж старші за віком зорі. Обертання створює потужні магнітні поля, які рухають струмені від полюсів YSO. Ці струмені забирають частину енергії акреції, обмежуючи зростання зір. Струмені також можуть розсіювати частину навколишнього газу, ще більше обмежуючи їхнє зростання.

Однак для зір Населення ІІІ картина може мати інший вигляд. Почнімо з того, що досі їх існування є гіпотетичним, хоча в теорії вони передбачені. Якщо вони справді існували, астрофізики хочуть знати, як вони утворилися та якими були межі їхнього зростання. Якщо вони були, то зорі Населення ІІІ зіграли вирішальну роль у Всесвіті, «викувавши» перші метали та поширивши їх у космос.

За словами авторів нового дослідження, моделювання не було достатньо ретельним, щоб пояснити масу зір Населення ІІІ. «Маси зір Населення ІІІ головно не обмежені, бо не існує моделей, які б враховували всю фізику первісного зореутворення», — пишуть автори. «Ми працюємо з комп’ютерними моделями, що симулюють процеси з 5000 років після утворення першої зорі».

У ретельнішому моделюванні, виконаному науковою групою, що враховує магнітні поля та інші фактори, маса цих ранніх зір не перевищує приблизно 65 мас Сонця. «Через 5000 років маса наймасивнішої зорі становитиме 65 мас Сонця в моделюванні RMHD [магнітогідродинаміка випромінювання], як порівняти зі 120 масами Сонця в моделюванні без магнітних полів», — пишуть дослідники.

Малюнок із статті дослідників показує картину кожного типу моделювання: HD (гідродинамічне), MHD (магнітогідродинамічне), RHD (гідродинаміка випромінювання з урахуванням зворотного зв’язку з випромінюванням, що іонізує та дисоціює речовину акреційного диска), RMHD (магнітогідродинаміка випромінювання). Ці картини показують кожну симуляцію через 5000 років після утворення першої зорі. Білі крапки вказують на розташування зір групи Населення ІІІ. Авторські права на зображення: Sharda et al. 2025 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

Результати показують, що обидва цикли моделювання, які включали магнітні поля, приводять до фрагментації протозоряної хмари. Тобто утворюються скупчення зір Населення ІІІ. Це означає, що на еволюцію наймасовіших зір Населення ІІІ в обох варіантах впливає наявність зір-компаньйонів.

Різниця полягає в тому, що гравітація та магнітні поля діють одне проти одного. Коли молоді зорі нарощують масу, їх гравітаційна сила зростає. Це має залучити більше речовини до зорі. Але магнітні поля протидіють гравітації. Все це відбувається до активації зворотного зв’язку через випромінювання.

Результати також показують, що в обох симуляціях, де враховано магнітні поля, кількість маси, яка досягає оболонки зорі, спочатку збільшується, а потім зменшується. Однак результати були іншими при моделюванні без магнітних полів. У цих симуляціях перенесення маси від оболонки до акреційного диска спочатку відбувається швидко, що призводить до зменшення маси в оболонці та накопичення маси в диску. «Цю масу, як наслідок, зоря нарощує з високою швидкістю», — пишуть автори.

Графік із статті дослідників ілюструє деякі результати моделювання. Він показує масу, накопичену в диск радіусом 500 астрономічних одиниць (а. е.) і висотою 50 а. е. (від середньої площини) навколо наймасивнішої зорі. «Обсяг маси, який може бути накопичений на центральній зорі за умови дії магнітної гідродинаміки та магнітогідродинаміки випромінювання, зрештою зменшується, оскільки магнітні поля пригнічують гравітаційний колапс», — пояснюють автори. Авторські права на зображення: Sharda et al. 2025 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

«Ми дізналися, що магнітні поля обмежують кількість газу, котрий потрапляє в оболонку зорі на пізніх стадіях, діючи проти сили тяжіння. Це призводить до виснаження маси в акреційному диску», — пояснюють автори. «Максимальна маса зір Населення III, таким чином, вже обмежена магнітними полями, навіть до того, як темпи акреції впадуть, щоб забезпечити суттєвий протозоряний зворотний зв’язок через випромінювання».

Хоча зорі Населення ІІІ досі гіпотетичні, космологічні теорії вказують на їхнє існування. Якщо цих зір не існувало, то у Всесвіті є щось фундаментальне, чого ми не можемо зрозуміти. Проте наші космологічні теорії добре пояснюють те, що ми бачимо навколо себе у нинішньому Всесвіті. Якщо ми зважаємо на це, робіть ставку на реальність зір Населення ІІІ.

«Зворотний зв’язок через випромінювання давно вважали основним механізмом, який зупиняє ріст зір Населення III і встановлює верхню межу початкової маси (її називають функція початкової маси — initial mass function) для зір Населення III IMF», — пишуть автори у висновку. Вони показують, що магнітні поля можуть обмежити зростання зір до того, як спрацюють механізми зворотного зв’язку.

«Ця робота є першим кроком у побудові повної фізично обґрунтованої функції початкової маси зір Населення III», — підсумовують автори.

За інф. з сайту www.universetoday.com