В 10 000 раз тяжелее Солнца: астрономы нашли след самых больших звезд, когда-либо существовавших

Космический телескоп Джеймс Уэбб продолжает ломать стандартные космологические модели. На этот раз под удар попали наши представления о химической эволюции галактик на заре мироздания. Объект внимания — галактика GS 3073, расположенная на красном смещении z = 5.55. Свет от нее шел до нас более 12 миллиардов лет.

В чем дело? Спектральный анализ показал аномально высокое содержание азота по отношению к кислороду (отношение N/O). Цифры не сходятся. Стандартные звездные популяции не могут произвести столько азота, не создав при этом огромного количества кислорода и углерода. Новое исследование группы астрофизиков (Devesh Nandal et al., 2025) предлагает кандидата на роль виновника этой аномалии. Это не обычные сверхновые и не звездные ветра.

Это супермассивные звезды популяции III с массой от 1000 до 10 000 масс Солнца.

Азотная катастрофа GS 3073

Для понимания масштабов, будем смотреть на цифры. В галактике GS 3073 отношение азота к кислороду (log(N/O)) составляет около -0.34 (или 0.46 в абсолютных значениях). Для такой юной галактики с низкой металличностью это экстремально много.

Обычно астрономы объясняют наличие тяжелых элементов (металлов) взрывами сверхновых или деятельностью звезд Вольфа-Райе. Но здесь эти объяснения не работают:

1. Звезды Вольфа-Райе производят азот, но требуют высокой начальной металличности среды, которой в ранней Вселенной еще не было.
2. Обычные сверхновые при взрыве выбрасывают колоссальные объемы кислорода, что неизбежно снизило бы соотношение N/O.

Мы видим избыток азота без сопутствующего избытка кислорода. Кто-то должен был синтезировать азот в таких масштабах, выбросить его в космос и при этом удержать кислород внутри. Исследователи построили модели эволюции звезд, чтобы найти этот источник. Результат указал на конкретный диапазон масс: 1000-10 000 солнечных масс.

Механика гигантов: CNO-цикл и конвекция

Как именно эти монструозные объекты создают азот? Дело в термоядерных реакциях внутри их ядер. Звезды такой массы сжигают водород не через протон-протонный цикл, как наше Солнце, а преимущественно через CNO-цикл (углерод-азот-кислород). В этом процессе углерод и кислород выступают катализаторами превращения водорода в гелий, а побочным продуктом становится азот-14.

Но синтезировать элемент мало. Его нужно доставить на поверхность.

Здесь вступает в игру физика конвекции. В моделях, представленных в исследовании (особенно для звезды массой 7000 солнечных), показано, что во время горения гелия в ядре возникают мощные конвективные зоны. Эти потоки плазмы поднимают синтезированный азот из глубин звезды к ее внешним слоям. Азот оказывается на поверхности, откуда звездный ветер или пульсации сбрасывают его в окружающую среду.

А что с кислородом? Он остается запертым. Кислород, наработанный в ходе дальнейших реакций, например, при горении гелия, скапливается в ядре и не смешивается с внешними слоями. Когда звезда погибает, этот кислород исчезает вместе с ней.

Прямой коллапс и черные дыры

Смерть супермассивной звезды популяции III — событие довольно тихое. В отличие от звезд меньшей массы, которые взрываются как сверхновые, разбрасывая свои внутренности по галактике, эти объекты часто коллапсируют целиком.

Гравитация побеждает давление излучения. Ядро звезды сжимается, увлекая за собой большую часть массы, включая весь наработанный кислород и углерод. Образуется черная дыра.

Это объясняет сразу два факта:

1. Химия: в космос попадает только то, что успело улететь с внешних слоев до коллапса — тот самый азот. Кислород же хоронят в черной дыре.
2. Активность галактики: в центре GS 3073 обнаружено активное галактическое ядро (AGN). Исследование предполагает, что черные дыры, оставшиеся после коллапса супермассивных звезд, становятся зародышами для сверхмассивных черных дыр, которые мы наблюдаем как квазары или активные ядра галактик.

Почему не больше и не меньше?

Исследование четко очерчивает границы масс.

• Меньше 1000 масс Солнца: такие звезды производят недостаточно азота, чтобы объяснить наблюдаемое соотношение N/O. Их температура и конвективная структура не позволяют эффективно выносить продукты CNO-цикла на поверхность в нужных пропорциях.
• Больше 10 000 масс Солнца: у этих гигантов эволюция идет иначе. Они живут слишком мало, и процессы перемешивания вещества работают по-другому. Модели показывают, что звезды массой 15 000 или 21 000 солнечных дают соотношение N/O не выше 0.19, что в два с лишним раза меньше наблюдаемого в GS 3073.

Только узкий коридор масс 1000-10 000 M⊙ дает точное совпадение с данными телескопа Уэбба.

Ископаемые доказательства

Мы не можем увидеть эти звезды напрямую. Они жили и умерли сотни миллионов лет назад, в эпоху космического рассвета. Но галактика GS 3073 действует как химическая летопись. Газ, из которого она состоит, обогащен пеплом тех самых первых звезд.

Данные JWST впервые перевели супермассивные звезды популяции III из разряда математических расчетов в категорию объектов, оставивших наблюдаемый след в истории Вселенной.

Источник: The Astrophysical Journal Letters