Астрономи вважають, що зірки, які знаходяться на краю Всесвіту, виникли ближче до Великого вибуху. Це найбільш старі об'єкти космосу.
Сьогодні ми трошки знаємо про так зване третє покоління зірок, які виникли приблизно 200 млн років після того, як космос наповнився матерією.
У своїх висновках ми спираємось на вимірюванні архаїчного світла, що знаходиться на відстані 13 мільярдів років від нас. Саме тому першим об'єктом у всесвіті було світло. Спектрально “різноколірне” світло, яке потім перетворилося на прадавні зорі.
Можливо. Наразі ідентифікація будь-яких об'єктів юного всесвіту неможлива в принципі.
Вважається, що в той час космос був дуже гарячим, наповнений чимось, що випромінювало світло набагато сильніше, ніж сьогодні. Чи були це надмасивні зірки або астрономічні конструкції, схожі на них — ми також не знаємо.
У дослідників не існує жодних даних, щоб розгулялася фантазія. Тому вибір невеличкий: або зорі, в сотні разів більші за сонце, або чорні об'єкти, які важко назвати чорними дірами. Чому? А вони на той час не пройшли стадію зоряної еволюції.
Ми навіть не дуже розуміємо, як чорні діри виникають вже після оформлення перших галактик. Хоча й розуміємо: це “щось” мало втримувати зорі разом, поки гравітація не накинула свою сітку на весь доступний для спостереження космос.
Якби не перші зірки та галактики
Френк Хайле, професор фізики Стенфордського університету, каже, що якби Всесвіт був повністю однорідним наприкінці ери рекомбінації, - через 380 000 років після Великого вибуху, - то нас би не було сьогодні. Для оформлення сучасної структури необхідна неймовірна кількість часу.
Іншими словами, світло не можна розглядати в якості першого “матеріального” об'єкта. І теоретизувати на тему охолодження чи розігріву до термоядерних масштабів дитячого космосу. У нас є лише припущення та логіка, обумовлена математичною фізикою.
- Припущення 1 — космічна інфляція.
- Припущення 2 — темна матерія.
Ми впевнені, що інфляційний період означає збільшення протовсесвіту що менше в 1078 разів. Чому так? Тоді наша математика сходиться. Запускаються квантові флуктуації інфляційного поля, простір стає нерівним. З'являється дещо, що є або залишає по собі “космічне мікрохвильове фонове випромінювання”.
Чим воно спричинене — ми не знаємо. Навіть не здогадуємось. Коли популярні розповідачі про космос кажуть нам про “первинне світло” — це велика умовність. Така сама, як великий вибух, інфляція, рекомбінація, темні віки, темна матерія або темна енергія.
Наші формули мають бути фізично чимось заповнені. Ми й заповнюємо.
Єдине, що ми можемо сказати, - є певна кореляція між флуктуаціями та майбутніми галактиками. Спочатку “розчищається” ділянка простору, вона набуває флуктуаційної нерівності, з'являється можливість ентропії, а потім там збираються туманності, зорі, скупчення.
А от з чого збиралися перші зорі, а тим більше галактики — майже вселенське теоретичне питання.
За словами Хайле, якби Всесвіт складався виключно зі звичайної матерії, ми все одно мали б проблеми. Перш за все в тому, що світ був гарячим відразу після рекомбінації - близько 3000 К. Газ водню та гелію при цій температурі має тиск і протидіє гравітаційному колапсу.
Звідси й витікає ідея всемогутньої темної матерії. Вона не створює тиску, оскільки не взаємодіє зі звичайною, баріонною матерією. Це означає, що нерівності в розподілі ТМ зруйнуються під дією самогравітації. Створяться “темні” чорні діри або аналогічні мегаобєкти - надмірна щільність темної матерії за відносно короткий час.Але саме ця надмірність оформить перші галактики та зорі. Приблизно так.
Колапс водню та гелію
Тимчасововиведемо ТМ за межі наших теоретизувань. Питання: чи необхідний колапс водню та гелію для створення перших зірок?
Колись британський фізик Джеймс Гопвуд Джинс запустив ідею однорідноїхмари газу, що знаходиться під постійним тиском та впливу температури. Така хмара пручається власному колапсу.
Ніякого колапсу однорідної самогравітаційної хмари та коливань щільності. Якщо сама хмара локалізована, тобто немає зовнішнього гравітаційного впливу.
Але, якщо ми будемо діяти за прописаною вище логікою, локальне збільшення масштабів довжини умовної хмари призведе до збільшення коливання щільності. Гравітація з часом переможе.
Це пов'язано з тим, що ми маємо з двома фізичними процесами: швидкість звуку в газі пов’язана з типовими тепловими швидкостями молекул, а швидкість вільного падіння газу з власним тяжінням. Коли час проходження звуку для розміру області менший за час вільного падіння, область буде стабілізовано проти колапсу. Але коли час проходження звуку більший за час вільного падіння - така область руйнується ззовні внаслідок того, що хвилі тиску не поширюються назовні з середини. Колапс не зупинити.
А коли хмара руйнується, виявляється, що вона нагрівається, втрачаючи тепло, щоб продовжити руйнуватися.
Тепер перейдемо до хмари, яка складається лише з водню та гелію. Швидші атоми ззовні хмари залишать її та ніколи не повертаються назад. Хмара згортається. Втрата енергії відбувається повільно, вона нагрівається і досягає температури, при якій атоми гелію та водню збуджуються до вищих енергетичних станів.
Світло, яке народжується, покидає хмару, випромінювання прискорює колапс. Хімія починає мати значення.
Що не вирішує головну проблему: звідки взялися початкові великомасштабні коливання щільності?
Повертаємось до довжини Джинса — масштабу довжини, на якому однорідна самогравітаційна газова хмара діє проти гравітаційного колапсу.
Прописана вище модель теоретично можлива тоді й тільки тоді, коли утворились молекули H2. В такому разі випромінюється енергія зв’язування, але самі молекули продовжують стикатися з іншими атомами, таким чином збуджуючись до вищих коливальних і обертальних станів, побудованих на основному стані молекули та на першому електронному збудженому стані.
Молекулярний водень безперервно випромінюють інфрачервону та видиму енергію, таким чином охолоджуючи хмару та руйнуючи її. Процес колапсу може тривати мільйони років.
Ми розраховуємо, що початкові температури газу в областях зореутворення під час утворення найперших зірок, які називаються зірками III, наближались до 1000 К. Маса Джинса становила б приблизно 500-1000 сонячні маси.
Таким чином, перші зірки були б дуже масивними, а отже, дуже короткочасними.
Планета Мафусаїл
Далекий вже 1992 рік. Астрономи заявили про відкриття великої екзопланети, яка, мабуть, кружляє навколо квазара. Вік планети — 12,7 млрд років. Тобто більше, ніж вік життя більшості зірок.
Квазар та планета розташовані в кульовому скупченні M4. Доктор Бекер з університету Каліфорнії в Берклі тоді стверджував, що аномалія, викликана місцевим пульсаром подвійної системи psr b1620-26 (пульсар psr b1620-1), може бути третімоб'єктом в системі.
Згодом його колега, астрофізик Стайн Сігурдссон припустив, що науковці знайшли справжнісіньку планету. Але.. ця екзопланета приблудна, від іншої зірки.
Неофіційно об'єкт охрестили Мафусаїл: екзопланета у2,6 раза масивніша за Юпітер та в1,18 раза більше, ніж гігант Сонячної системи. Відстань до зірок складає 23 а.о., 3,4 млрд км. 1 оберт навколо двійняток - 100 земних років.
Вважається, що Мафусаїл пережив власне сонце.Але саме цікаве в тому, що він народився до появи вуглецю, кремнію, кисеню.
Інакше кажучи, планета формувалась одночасно з зіркою. Але на той час галактик ще не існувало. Тому система вільно рухалась простором. Поки не наблизилась до скупчення зірок. Дуже щільного скупчення, - адже й зірки тільки почали з'являтися у всесвіті, який активно розширювався. Відстань між нашими героями та іншими зірками складала не декілька світлових років або місяців. Мова йде про світлові тижні. Ну, тобто приблизно як від Сонця до Сатурна або Нептуна (точно не знаємо).
Такі зоряні скупчення ще не розбіглися. Зірки належали до різного типу космічних тіл. Але наша зірка, вірогідно, пройшла поруч з нейтронною зіркою та білим карликом. Виникла система 3 зірок з заплутаними орбітами. В результаті виникла гравітаційна петля, білий карлик викидається з оновленої сонячної системи. Мафусаїл, переживши грандіозну катастрофу, починає обертатися навколо двох зірок — материнської та нейтронної.
Згодом ця система перемістилась в менш щільну область, спокійно живе далі. Поки не вмираєрідна зірка. Нейтронна посестра, звичайно, поглинає речовину новоствореного червоного гіганта. В результаті з'являється пульсар, який ми знаємо.
Хоча не виключено, що материнська зірка перетворилась на білий карлик з гелієвим ядром. І він поступово з'їдається пульсаром.
Що не заважає Мафусаїлу існувати далі. Навіть не змінивши власної орбіти.
Об'єкт HD1
А от з галактиками зовсім біда. Наразі у нас є дві кандидатки на посаду наймолодшого зоряного острова. Галактика GN-z11 була відкрита у 2022 році та знаходиться на відстані 13,4 млрд світлових років від Землі. Але нещодавно науковці знайшли об'єкт HD1, якому 13,5 млрд років.
Чому об'єкт? А ми не можемо його класифікувати. Але з урахуванням розширення всесвіту мова йде про відстань в... 33,4 млрд років. Існують два трактування: або юна геркулесова галактика зі спалахом зірок або могутній квазар.
Галактика зі спалахом зореутворення — це галактика з надзвичайно високою швидкістю зореутворення. Феномен виникає тоді, коли зливаються дві окремі галактики. А раз так, тоді нам доведеться відкрити ще більш молодшу галактику. На межі здатності тодішнього космосу продукувати зорі.
Але космологи — великі оптимісти й вважають перші у світі зорі значно гарячішими та більш яскравими, ніж сучасні зірки.
Хай там що, але перед нами відгомін3 покоління зірок, популяції з незначною кількістю елементів, крім водню та гелію.
Якщо ж перед нами виник умовно перший у світі квазар, тобто активне галактичне ядро надмасивних зорь із чорною дірою у своєму складі, тоді він “зжирає” навколишню матерію, а генероване тепло розповсюджується по всьому космосу. Такий собі “вічний двигун” неймовірних масштабів.
Що ж до чорної діри, то вона має бути в 100 млн разів масивніше за Сонце. А це неможливо, враховуючи вік об'єкта. Хоча фізика не заперечує. Заперечує час або тип об'єкта. А це фізика. Такий от парадокс.
Інший сценарій: квазар з'явився в популяції першого або другого покоління, коли зірки були на стільки близько розташованими, що структурно не відрізнялись від планетарної системи. З історією, аналогічної історії Мафусаїла.
Але, найімовірніше, нам — хочемо ми чи ні — прийдеться переглядати теорії чорних дір, зореутворення, виникнення космічних структур.
Бо насправді ми тільки гадаємо, які ж були перші об'єкти у всесвіті.
