Наскільки великими можуть бути зірки?

0
151

Мерехтливі зірки здаються крихітними точками світу, але в реальності вони величезні. Астрономи точно не знають, наскільки великою може стати зірка, але при певних обставинах, схоже, вони можуть стати воістину колосальними. Найближча до нас зірка — це, звичайно, Сонце. Воно має масу близько 2 мільйонів трильйонів трильйонів кілограмів (двійка і за нею тридцять нулів). Якщо б Земля важила як скріпки для паперів, Сонце важило як мотоцикл «Урал».

Хоч Сонце не таке вже й легке, насправді його вага трохи вище середнього. Близько 1% зірок важать у вісім разів більше Сонця, і суща жменька зірок в галактиці важить як сто або двісті сонць.

Найвідоміша масивна зірка — R136a1 — важить близько 265 сонячних мас. Вона настільки величезна, що її відкриття в 2010 році спонукало астрономів переглянути свої теорії про те, наскільки масивної зірка може стати.

Це, в свою чергу, змушує нас переглянути наші уявлення про перших зірок, які коли-то були утворені. Виявляється, деякі з цих перших зірок, які народилися всього через 200 мільйонів років після Великого Вибуху, що могли важити в 100 000 разів більше Сонця, що робить їх найбільш масивними зірками в принципі. Питання в тому, як R136a1 і ці первинні зірки взагалі змогли стати такими великими?

Маса зірки — не просто цікава величина. Це найважливіша власність зірки, що визначає, як зірка живе і вмирає. Зірка — це гігантська куля гарячого газу, настільки масивний, що його гравітація притягує його самого до себе. Внаслідок цього ядро зірки стає надзвичайно щільним і гарячим. Це запускає ядерну реакцію, в процесі якої пари атомів зливаються в більш великі, виробляючи багато тепла і тиску, яке штовхає зірку назад назовні.

Життя зірки висить в цьому балансі між гравітацією і тиском. Як тільки закінчується паливо, ядерний синтез зупиняється і не може перешкоджати колапсу.

Доля зірки і швидкість її вигорання повністю залежить від її маси.

Масивні зірки в кілька десятків сонячних мас вигорають швидко і яскраво. Вони живуть всього кілька сотень мільйонів років, перш ніж вибухнути у вигляді наднової і залишити за собою щільні, екзотичні об’єкти на зразок чорної діри або нейтронної зірки.

І навпаки, невеликі зірки, на зразок Сонця повільно і стабільно вигорають мільйони років, перш ніж стати зірковими трупиками — білими карликами.

Найменша зірка може бути 0,08 сонячної маси, виходячи з відносно впевнених і простих розрахунків. Зірка саме такої маси досить масивна, щоб запустити ядерний синтез. Все, що менше, буде просто кулею газу. Але якщо астрономи добре розуміють мінімальну масу зірки, на іншому кінці все розмито. «Це одна з найбільших невирішених загадок астрофізики», — говорить Волкер Бромм, астрофізик Техаського університету в Остіні, США.

Ще десять років тому астрономи думали, що верхня межа зоряних мас в поточній Всесвіту становить 150 сонячних мас. «Було багато хороших свідчень на користь цієї межі, як з теорій, так і з спостережень», — говорить Пол Краутер з Університету Шеффілд у Великобританії.

Вам повинно пощастити, щоб ви побачили зірку з високою масою, оскільки термін їх життя дуже короткий. Зірки у сто або більше сонячних мас вмирають за пару мільйонів років: мить ока за космічними мірками.

Одне з перспективних місць для пошуку такої зірки — це кластер Арки, одна з найбільш щільних колекцій зірок у Чумацькому Шляху. Цей кластер, здавалося, сформувався відносно недавно, оскільки найбільш масивні зірки ще живі. Навколо нього валяється багато матеріалу для зореутворення, забезпечуючи середовище, сприятливе для зоряних гігантів.

Але астрономи не змогли знайти зірки з масою більше 150 сонячних. Можливо, подумали вони, зірки просто не можуть стати настільки масивними. У якийсь момент зірка повинна стати настільки масивними і яскравою, що її радіація здуває зовнішні шари, перешкоджаючи подальшому зростанню. Це природне обмеження маси називається межею Еддінгтона, і розрахунки припускають, що він близький до 150 сонячних мас.

Але в 2010 році Краутер і група астрономів вивчила ще більш важку групу зірок скупчення R136. Там вони виявили не одну, а навіть кілька зірок, перевершили межа в 150 сонячних мас. Найдивовижніша, яка R136a1, була неймовірною маси 265 сонячних.

Більше того, можливо, вона була ще важче, коли народилася.

R136a1 — зірка Вольфа — Райе: це означає, що вона масивна, яскрава і гаряча, з потужною радіацією, яка здуває її зовнішні шари. Її температура близько 53 000 градусів за Цельсієм, і світиться вона в 10 мільйонів разів яскравіше Сонця. Навіть якщо вона молода, чи більше мільйона років, вона вже втратила газу на 50 наших Сонць.

З чого випливає, що R136a1 колись важила більше 300 сонць. Набагато більше межі в 150 сонячних мас.

Перевищення цієї межі не склало проблеми. Попередні оцінки межі Еддінгтона виявилися відносно сирими, каже Краутер, і більш докладні розрахунки показали, що зірки можуть бути набагато більш масивними — в теорії, принаймні.

Що стосується кластера Арки, астрономи виявили, що він старший, ніж думали раніше, і по-справжньому масивні зірки давно вже перестали існувати. R136, втім, набагато молодше початкових зірок.

Як би те ні було, важкоатлети начебто R136a1 — рідкість. У Чумацькому Шляху може бути зовсім мало, каже Краутер. «Найбільше питання в тому, як вони набрали таку масу», — говорить він.

Щоб зростаюча зірка набрала масу, необхідно час. Зіркам начебто Сонця потрібно близько 10 мільйонів років на освіту. Але зірки на кшталт R136a1 живуть всього кілька мільйонів років, тому вони повинні були утворитися сотні тисяч років тому.

Ніхто не знає напевно. Одна з ідей полягає в тому, що ці колосальні зірки утворюються, коли стикаються довгі нитки холодного щільного газу. За останні пару років Космічна обсерваторія Гершеля в Європі виявила такі нитки по всій галактиці. Кожна витягується на кілька світлових років.

Коли ці нитки стикаються між собою, можуть утворитися щільні обсяги газу, які колапсують в зірку, даючи життя одночасно цілого зоряного скупчення. Більшість цих нових зірок буде дрібними, деякі масивними, а ще менше гігантськими начебто R136a1.

Важко зрозуміти, як саме це відбувається. «Деталі досить розмиті, я б сказав», — говорить Краутер. Ці регіони масивного зореутворення приховані хмарами щільною міжзоряного пилу, тому навіть найбільш потужні телескопи з працею можуть через них пробитися.

Гігантські зірки можуть утворитися, коли зірки зливаються між собою. Більшість важких зірок перебувають у парах, так чи інакше, тож якщо пара таких зірок буде мати масу в кілька десятків разів перевищує сонячну, вони можуть злитися в одну велику зірку.

Як зірки на кшталт R136a1 стають такими великими, поки залишається загадкою, але найперші зірки дивують ще більше. Вони воістину величезні.

Через 200 мільйонів років після Великого Вибуху було багато світла. Коли хмари газоподібного водню і гелію коллапсировали в перші зірки Всесвіту. На відміну від сучасних зірок, всі вони були набагато більш масивними. Багато важили десятки сонячних мас, деякі сягали сотні або двох. Ті перші зірки могли доходити до цього, оскільки космічна середовище була іншою. Зокрема, не було важких хімічних елементів.

Важкі елементи важливі, оскільки допомагають охолоджувати газові хмари. У гарячому газі атоми мигтять туди сюди і стикаються один з одним. Важкі елементи можуть перетворити цю енергію зіткнення у світ, який потім буде випро. Так йде тепло.

Але важкі елементи існували не завжди. Вони були виковані з ядерного синтезу в ядрах зірок і під вибухових смерті масивних зірок. Покоління за поколінням, зірки виробляли всі елементи, які ми знаходимо в космосі сьогодні. Коли з’явилися перші зірки, у світі був лише водень, гелій і крихітні частки літію.

Без важких елементів, газові хмари охолоджувались з працею, а значить, їм було важче коллапсировать в зірки. Щоб компенсувати це, кожне хмара росла все більше та більше, набираючи більше тяжкості, щоб спровокувати колапс. В результаті народжувалися зірки, які більш масивні, ніж сучасні зірки.

Протягом багатьох десятиліть ніхто не знав напевно, наскільки саме масивніше. Зовсім недавно астрономи прийшли до висновку: ті зірки могли бути набагато більше, ніж вважалося раніше.

Астрономи виявили квазари, існуючі протягом мільярдів років після Великого Вибуху.

Квазари — це надзвичайно яскраві об’єкти, які підживлюються чорною дірою в мільйони або мільярди разів більше маси Сонця. Чорна діра живиться закрученим диском пилу і газу, викидаючи потужні пучки енергії.

І знову загадка: як там утворилися ці надмасивні чорні діри?

Чорні діри утворюються, коли зірки вичерпують свою паливо і колапсують. Щоб чорна діра стала надмасивної, вона повинна поглинути багато маси в формі найближчого газу і пилу, або злитися з іншими чорними дірами.

Проблема в тому, що ці квазари існували в такий ранній історії космосу, що надмасивні чорні діри повинні були набрати вагу за неймовірно короткий проміжок часу. Виходячи з теорії і комп’ютерних симуляцій, навіть зірки в кілька сотень сонячних мас не змогли б так швидко вирости, щоб стати сверхмассивными.

Існує рішення цього парадоксу, але воно включає в себе по-справжньому гігантські зірки в 100 000 сонячних мас. Поряд з такими зірками навіть R136a1 була б карликом.

Комп’ютери розрахунки показують, що хмара в мільйон сонячних мас може коллапсировать в зірку з масою в 100 000 сонць. Умови теж повинні бути відповідними: ніяких важких елементів і багато ультрафіолетового випромінювання, яке додатково перешкоджає охолодженню газових хмар.

Зірка таких розмірів буде нестійкою і може моментально коллапсировать в чорну діру. Ця чорна діра потім продовжить нарощувати свою масу, споживаючи пил і газ, або зливаючись з іншими чорними дірами, поки не стане досить масивною, щоб живити квазар.

Така теорія. «Наші комп’ютери терпляче створюють такі об’єкти, — говорить Олександр Хегер з Університету Монаша в Австралії. — Але чи існують вони в природі, у нас немає ніяких прямих доказів цього. Всі вони теоретичні на даний момент».

Ми могли б отримати прямі докази, якщо б спостерігали за злиттям чорних дір.

Коли дві чорні діри стикаються, вони створюють брижі на поверхні тканини простору-часу, гравітаційні хвилі. Європейський лазерний інтерферометр eLISA повинен буде виявити їх, коли його запустять після 2028 року. Вимірюючи ці хвилі, астрономи зможуть визначити маси злиття чорних дір та їх можливе походження з надмасивних зірок.

Астрономи також чекають наступного покоління телескопів, середовище яких космічний телескоп Джеймса Вебба, Тридцятиметровий телескоп, Європейський Надзвичайно Великий телескоп і Гігантський Магелланову телескоп. Ці обсерваторії могли б знайти перші чорні діри, народжені з надмасивних зірок. Вони навіть могли б вловити зірку в процесі колапсу в чорну діру.

Такі відкриття можуть перевернути наше розуміння зірок і космосу в цілому. Зрозумівши, з чого почалися перші масивні зірки, астрономи могли б дізнатися, якими були перші галактики.

«Питання про природу перших зірок і межах їх маси може розповісти нам про особливому моменті космічної історії. До нього Всесвіт була простим і нудним місцем, в якому навіть не було джерел світла».