Массивные звезды Pop III достигают конца своего жизненного цикла посредством взрывов сверхновых, высвобождая поток энергии и выбрасывая первые тяжелые элементы в окружающее пространство. Этот процесс химически обогащает некогда первичный газ, фундаментально изменяя условия последующего звездообразования в ранней Вселенной. Фото: ASIAA/Ке-Юнг Чен
Чинг-Яо Тан и доктор Ке-Юнг Чен из Института астрономии и астрофизики Академии Синика (ASIAA) добились существенного прогресса в расшифровке массы рождения первых звезд с помощью мощного суперкомпьютера Национальной лаборатории Беркли.
Об этом новом исследовании сообщается в последнем выпуске Ежемесячных уведомлений Королевского астрономического общества.
На самых ранних стадиях существования Вселенной после Большого взрыва существовали только водород и гелий, а важнейшие элементы, поддерживающие жизнь, такие как углерод и кислород, еще не появились. Примерно 200 миллионов лет спустя начали формироваться первые звезды, известные как звезды Популяции III (Pop III).
Эти звезды инициировали производство более тяжелых элементов посредством ядерного горения в своих ядрах. Когда эти звезды достигли конца своего жизненного цикла, некоторые из них стали сверхновыми, создав мощные взрывы, которые разбросали вновь синтезированные элементы в раннюю Вселенную, став основой жизни.
Тип возникающей сверхновой зависит от массы первой звезды в момент ее гибели, что приводит к различным закономерностям химического состава. Наблюдения за чрезвычайно бедными металлами (ЭМИ) звездами, образовавшимися после первых звезд и их сверхновых, сыграли решающую роль в оценке типичной массы первых звезд. Согласно наблюдениям, содержание элементов в звездах ЭМИ предполагает, что первые звезды имели массы от 12 до 60 солнечных масс.
-
На изображении изображена космологическая структура в период формирования первой звезды примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Серые структуры иллюстрируют распределение темной материи, когда первые звезды формируются внутри некоторых гало темной материи. Красочные пятна представляют собой звезды различной массы, обеспечивая визуальное представление о сложных процессах, формирующих раннюю Вселенную. Фото: ASIAA/Ке-Юнг Чен
-
Во время формирования космической структуры первичный газ течет в гравитационные колодцы, созданные ореолами темной материи. Когда втекающий газ сходится в центре гало, он вызывает мощное турбулентное движение. Эта интенсивная турбулентность приводит в движение облако, вызывая появление отчетливых комковатых структур, как показано выше. В конечном итоге плотные ядра внутри этих сгустков подвергаются гравитационному коллапсу, отмечая формирование первых звезд. Фото: ASIAA/Чинг-Яо Тан
Однако предыдущие космологические моделирования предполагали, что у первых звезд будет тяжелая и широко распределенная функция масс в диапазоне от 50 до 1000 солнечных масс. Это значительное массовое расхождение между моделированием и наблюдениями ставит астрофизиков в тупик уже более десяти лет.
Чинг-Яо Тан и Ке-Юнг Чен использовали мощный суперкомпьютер в Национальной лаборатории Беркли для создания первой в мире трехмерной гидродинамической модели высокого разрешения турбулентных звездообразующих облаков для первых звезд. Их результаты показывают, что сверхзвуковая турбулентность эффективно фрагментирует звездообразующие облака на несколько сгустков, каждый с плотным ядром от 22 до 175 солнечных масс, которым суждено сформировать первые звезды с массами от 8 до 58 солнечных масс, что хорошо согласуется с наблюдениями. .
Более того, если турбулентность слабая или неучтенная в моделировании, исследователи могут воспроизвести аналогичные результаты из предыдущих симуляций. Этот результат впервые подчеркивает важность турбулентности в формировании первых звезд и предлагает многообещающий путь к уменьшению теоретического масштаба массы первых звезд. Он успешно устраняет несоответствие массы между моделированием и наблюдениями, обеспечивая прочную теоретическую основу для формирования первых звезд.
