Телескопы ALMA и VLT Европейской Южной обсерватории (ESO) показали, что как галактики со вспышками звездообразования в ранней Вселенной, так и область звездообразования в близлежащей галактике содержат гораздо большую долю массивных звезд, чем их находится в более спокойных галактиках. Это открытие ставит под сомнение современные воззрения на эволюцию галактик, меняет наше понимание истории звездообразования во Вселенной и наши представления об образовании химических элементов. Об открытии рассказывает пресс-релиз ESO.
Группа астрономов под руководством Чжиюй Чжана (Zhi-Yu Zhang) из Эдинбургского университета, исследуя удаленные области Вселенной при помощи решетки радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), измерила долю массивных звезд в четырех удаленных богатых газом галактик со вспышками звездообразования. Эти галактики наблюдаются в эпоху, когда Вселенная была значительно моложе, чем сейчас. Поэтому маловероятно, чтобы столь молодые галактики уже успели пройти много предшествующих этапов звездообразования.
В галактиках данного типа наблюдается очень интенсивное возникновение звезд. Частота образования новых звезд в них может в 100 или более раз превосходить частоту образования звезд в нашей Галактике Млечного Пути. В таких галактиках массивные звезды испускают ионизирующее излучение, выбрасывают потоки материи и заканчивают свой жизненный цикл взрывом сверхновой, и все это существенно влияет на динамическую и химическую эволюцию окружающей их среды. Исследование распределения масс звезд в этих галактиках может рассказать нам как об эволюции этих галактик в целом, так и об эволюции всей Вселенной.
Чжан и его группа разработали новую методику, аналогичную радиоуглеродному методу датировки по содержанию изотопа углерод-14 на Земле, для измерения обилия различных видов окиси углерода в четырех очень далеких погруженных в пылевые оболочки галактик со вспышками звездообразования. Важное отличие этого метода состоит в том, что доля углерода-14 вследствие распада постоянно уменьшается, и это позволяет вычислить время, когда умерло данное животное или растение, тогда как изотопы углерод-13 и кислород-18, использованные в исследовании, выполненном на ALMA, устойчивы и их содержание за время жизни галактик постоянно растет, так как эти изотопы синтезируются в процессе термоядерных реакций в недрах звезд.
Четыре удаленных галактики со вспышками звездообразования, наблюдавшиеся на ALMA. Изображения в верхнем ряду показывают излучение 13C в каждой из галактик, в нижнем – эмиссию 18O. Фото: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Zhang et al.
Астрономы измерили отношение двух видов окиси углерода, содержащих различные изотопы (углерод-12 или 13, кислород-16, 17 или 18). «Изотопы углерода и кислорода имеют различное происхождение, – объясняет Чжан. 18O в большей степени образуется в массивных звездах, а 13C – в маломассивных и в звездах промежуточной массы». Благодаря новой методике группа сумела проникнуть за пылевую завесу, скрывающую эти галактики и впервые оценить массы находящихся в них звезд. Масса звезды является самым важным фактором, определяющим ее будущую эволюцию. Массивные звезды сияют очень ярко и имеют маленькую продолжительность жизни, а менее массивные, такие, как Солнце, имеют меньшую светимость, но сохраняют ее в течение миллиардов лет. Таким образом, зная долю звезд различных масс, формирующихся в галактиках, астрономы могут проследить ход образования и эволюции галактик на протяжении всей истории Вселенной. Эта информация дает нам ключ к пониманию обилий химических элементов, имеющихся в наличии при образовании новых звезд и планет, и наконец, позволяет оценить количество зарождающихся черных дыр, которые могут постепенно накапливать массу в процессе поглощения окружающего вещества и превращаться в сверхмассивные черные дыры, наблюдаемые в центрах многих галактик.
Соавтор работы Донателла Романо (Donatella Romano) из INAF- Института астрофизики Академии наук Италии и Болонской астрофизической обсерватории так рассказывает о сделанном открытии: «Отношение изотопа 18O к 13C в наблюдавшихся нами галактиках ранней Вселенной со вспышками звездообразования оказалось примерно в десять раз выше, чем в таких галактиках, как Млечный Путь. Это значит, что в этих галактиках со вспышками звездообразования доля массивных звезд гораздо выше».
Наблюдения на ALMA перекликаются с другим исследованием, проведенным на материале окружающей нас части Вселенной. Группа, которой руководил Фабиан Шнайдер (Fabian Schneider) из Оксфордского университета в Веикобритании, выполнила спектроскопические измерения на Очень Большом Телескопе (VLT): с целью исследования общего распределения звезд по возрасту и начальным массам наблюдалось 800 звезд в гигантской области звездообразования 30 Золотой Рыбы в Большом Магеллановом Облаке. Наблюдения проводились при помощи волоконно-оптического многоэлементного спектрографа FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph), смонтированного на Очень Большом Телескопе.
Фабиан Шнайдер рассказывает: «Звезд с массами более 30 солнечных мы нашли примерно на 30%, а с массами более 60 солнечных примерно на 70% больше, чем ожидали. Наши результаты ставят под сомнение ранее предсказанный предел в 150 солнечных масс для максимальной массы новорожденной звезды и позволяют предположить, что рождающиеся звезды могут иметь массы до 300 солнечных!»
Роб Айвисон (Rob Ivison), соавтор новой работы на ALMA, заключает: «Наши находки заставляют нас усомниться в правильности нашего понимания космической истории. Астрономы, занимающиеся моделированием Вселенной, теперь придется немало поработать над еще большим усложнением своих моделей».
Результаты наблюдений на ALMA опубликованы в журнале Nature, а результаты, полученные на VLT – в журнале Science.
