Астрономи змоделювали два типи спалахів наднових і виявили, що перші наймасивніші зорі могли створити велику кількість води. Вона, можливо, пішла на формування майбутніх зір і планет.

Нове дослідження, результати якого опубліковані в Nature Astronomy, показало, що вода могла утворитися у перші 200 мільйонів років існування Всесвіту. Життєдайна молекула могла виникнути так швидко через загибель перших зір Всесвіту. Дослідження також виявило, що землеподібні планети могли формуватися в багатому водою середовищі, яке тоді існувало. І все це було до того, як виникли перші галактики.

Головний дослідник Деніел Вейлен (Daniel Whalen) з Портсмутського університету в Сполученому Королівстві та його колеги виявили, що рідкісний тип наднової, який є наслідком вибухів найдавніших зір, спричинив утворення достатньої кількості води, щоб вона наповнила навколишні регіони, де народжуватимуться наступні покоління зір та їхні планети.

Перші зорі

Найперші зорі утворилися з водню та гелію, які заповнили Всесвіт після Великого Вибуху. Ці сонця не були в галактиках — їх ще не існувало, — а натомість на перехрестях, де перетиналися схожі на павутину нитки темної матерії, що пролягали між пустотами. Гравітація притягувала газ до цих точок перетинів, і коли щільність ставала достатньо високою, народжувалися перші зорі.

Ці зорі були величезними, у 300 разів масивнішими, ніж Сонце. Їхня температура була високою, і вони швидко спалювали паливо. Далі вони загинули в наднових. Спалах наднових були джерелом нових елементів, які проникли у міжзоряний простір.

Вейлен і його колеги змоделювали два типи наднових, що, як вважають науковці, були поширеними серед зір першого покоління. Для цього вони змоделювали життя зір із 13 і 200 сонячними масами. «Ми спостерігали за формуванням первинних зір… а потім вони вибухнули», — каже Вейлен.

Перший тип наднової ― це наднова з колапсом ядра. Вони трапляються із зорями, які щонайменше у вісім — десять разів масивніші за Сонце. Коли зірки старіють, вони виснажують запаси водню у своєму ядрі. Потім вони еволюціонують через послідовні цикли термоядерного горіння в цибулиноподібній структурі навколо ядра. В цьому процесі відбувається поступовий синтез дедалі важчих елементів в тонких шарах зорі.

Залізо є останнім створеним елементом, бо його не можна «запалити» для створення нової енергії. Тоді, у триваючій боротьбі між гравітацією та ядерним синтезом (він створює фотони, які утримують зорю в рівновазі), гравітація нарешті перемагає, і ядро ​​руйнується. Виникає нейтронна зоря, яку неможливо далі стиснути. Перед цим верхні шари зорі падають на її ядро і вдаряються в нього. Виникає ударна хвиля, що поширюється назовні. На шляху її руху виникає дуже висока температура і відбувається ще сильніший синтез, що приводить до появи елементів, важчих за залізо.

Саме тоді інтенсивний тиск в ядрі створює нейтрино, які ще більше посилюють енергію відбитої від ядра речовини. Це, зрештою, призводить до того, що весь цей матеріал — зокрема й новоутворені метали (астрономи називають будь-які елементи, окрім водню та гелію металами) — зазнає викиду назовні, залишаючи позаду лише щільне зоряне ядро.

З іншого боку, наднові зорі, що виникають через нестабільність пари електрон ― позитрон, трапляються тільки з тими зорями, маса яких у 100 разів перевищує масу Сонця. Ядра цих зірок можуть досягати такої високої температури, що їхні фотони перетворюються на частинки — пари електронів і позитронів. Перетворення енергії в речовину різко знижує тиск у ядрі, і воно раптово стискається. Це вивільняє достатньо енергії, щоб темп термоядерного горіння суттєво зріс і спричинив появу ударної хвилі, яка розриває зорю на частини.

Вейлен каже, що ефект схожий на вибух величезної водневої бомби. Вибух такий потужний, що повністю розриває зорю, не залишаючи ядра. Уся речовина колишньої зорі потрапляє в космос.

Наднова з парною нестабільністю може вивільнити в 100 разів більше енергії, ніж вибух із колапсом ядра. «Це були перші надпотужні фабрики важких елементів у Всесвіті», — зазначив Вейлен.

Після вибуху

Те, що сталося після спалахів наднових, вразило Вейлена та його колег. Моделювання показало, що до складу викинутої речовини входили невеликі згустки, пов’язані гравітацією. Коли гарячий струмінь від наднової проникав назовні, метали в ньому, серед яких кисень, змішувалися з воднем, що прискорювало їхнє гравітаційне накопичення. Додані метали також допомогли згусткам охолонути. Це уможливило поєднання кисню з воднем та утворення води.

Однак у двох випадках все відбувалося трохи інакше. Тоді як речовина наднової з колапсом ядра відносно плавно витікала назовні, матеріал, викинутий надновою з парною нестабільністю, був хаотичним завдяки більш потужному вибуху. Підвищена турбулентність у другому випадку створила більше згустків — і оскільки речовині не довелося подорожувати так далеко, вода утворилася значно швидше. Крім того, вищий тиск і температура наднової з парною нестабільністю спричинили утворення речовини з більшою кількістю металів, ніж подія колапсу ядра, що дало змогу згусткам охолонути ще швидше.

Результатом є значна різниця в часі. Тоді як наднові з колапсом ядра утворюють воду протягом 30―90 мільйонів років після свого вибуху, наднові з парною нестабільністю можуть зволожити своє оточення лише за три мільйони років.

Кількість металів також мала величезне значення. Вейлен каже, що наднова з колапсом ядра утворює масу, що дорівнює лише кільком десятим маси Сонця. Натомість, наднові з парною нестабільністю створюють до 100 сонячних мас металів, серед яких 30—50 сонячних мас кисню. Це може сприяти утворенню набагато більшої кількості води.

Згустки навколо наднової, яка трапилася через колапс ядра, стали в 10―30 разів багатшими на воду, ніж нинішні дифузні хмари газу в Молочному Шляху. Наднові з парною нестабільністю створили ще багатші згустки, лише в кілька разів менш багаті водою, ніж сучасна Сонячна система.

Оскільки вони масивніші, зорі, що породжують наднові з парною нестабільністю, також мають перевагу над своїми двоюрідними сестрами. Ці сонця народжуються, згорають і вмирають приблизно через 2,5 мільйона років. Еволюція зір, які створюють наднові колапсу ядра, потребує приблизно 12 мільйонів років. Отже, спочатку вода була зосереджена в ділянках навколо наймасивніших зір.

Перші планети?

Згідно з очікуваннями, в обох випадках згустки, що залишилися, сформують наступне покоління зір. Але як щодо планет? Були сумніви, що планети могли утворитися із залишків, утворених першими зорями. Але деякі комп’ютерні моделі вказують на те, що ці згустки справді можуть бути місцем майбутнього формування планет.

Ґідео Де Марчі (Guideo De Marchi), астроном з Європейського центру космічних досліджень і технологій, який не брав участі в новому дослідженні, виявив протопланетні диски в середовищах, подібних до тих, що були в ранньому Всесвіті, зокрема тих, що мають низьку металічність (тобто мало важких елементів). За його словами у 2003 р. «Габбл» знайшов докази наявності масивної планети в кулястому скупченні з дуже низькою металічністю.

Тип наднової також може вплинути на тип утворених планет. Газові гіганти складаються переважно з водню та гелію у своїх зовнішніх шарах, тоді як скелясті світи потребують більше силікатів та інших важких елементів для формування. Оскільки речовина, утворена надновою з парною нестабільністю, має вищу металічність (більш складні елементи), ніж наднова з колапсом ядра, зорі, що народжуються з речовини наднової з колапсом ядра, мають достатньо матеріалу для створення юпітероподібних планет, тоді як нащадки вибуху з парною нестабільністю можуть бути оточені земле подібними планетами.

І все це могло статися ще до того, як утворилися перші галактики.

Ми можемо це побачити?

Є застереження: Вейлен і його колеги досліджували лише окремі вибухи. Ймовірно, кілька зір першого покоління утворилися б разом там, де перетинаються космічні нитки. Кожна зоря омиває весь регіон випромінюванням, яке може розбити новоутворені молекули води. Водночас кожна ділянка також міститиме пил, який захистить воду від цього випромінювання.

«Це тонкий баланс» цих двох сил, каже Де Марчі. Але він залишається оптимістом. «Той факт, що ми бачимо наявність води в протопланетних дисках у середовищах з низьким вмістом металів [як] Мала Магелланова Хмара, означає, що деяку її частину можна зберегти», — сказав він.

Пошук спостережуваних ознак води в ранньому Всесвіті є проблемою. Те саме стосується виявлення першого покоління планет навколо окремих зір. Навіть скупчення зір сяяли б надто тьмяно, щоб їх можна було помітити за допомогою сучасних приладів. Отже, Вейлен і його колеги працюють над тим, щоб зрозуміти, який сигнал можуть створювати ці перші багаті водою ділянки космосу та планети в цілому.

«Ціла популяція [багатих водою зір і планет] у ранньому Всесвіті могла створити цю туманну воду… фон викидів», — зазначив Вейлен. Це випромінювання потенційно може бути виявлено в найближче десятиліття за допомогою Великої міліметрової/субміліметрової антени Атакама в Чилі або радіотелескопом з антеною площею квадратний кілометр (Square Kilometer Array) в Австралії та Південній Африці.

За інф. з сайту www.astronomy.com