Астрономы нашли следы вещества первых сверхновых в далеком квазаре

Астрономы нашли свидетельства обогащения газа далекого квазара ULAS J1342+0928 веществом остатков парно-нестабильных сверхновых, в которые в финале своей жизни превратились очень массивные звезды населения III, которые были первыми звездами во Вселенной. Стандартная модель химической эволюции галактик, включающая в себя обычные сверхновые, не может объяснить данные наблюдений за квазаром. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

Согласно стандартной космологической модели Большого Взрыва первоначально во Вселенной существовали лишь водород и гелий, а также небольшие количества дейтерия и лития, а остальные химические элементы возникли в недрах звезд и попали в окружающую среду после их гибели. Таким образом, первые звезды во Вселенной, сформировавшиеся спустя 100–300 миллионов лет после Большого Взрыва, должны быть массивными светилами, характеризуемыми практически нулевой металличностью, которые получили обозначение звезд населения III. В случае, если бы подобные звезды обладали массами, сравнимыми с нашим Солнцем, то они были бы обнаружены в Млечном Пути, однако таких случаев нет.

Считается, что формирование первых квазаров и звезд при значениях красного смещения z∼7–10 сыграло важную роль в повторной ионизации нейтрального газа во Вселенной, происходившей в эпоху реионизации. Кроме того, взрывы сверхновых звезд населения III разных масс должны были обогатить внутригалактический газ химическими элементами, из которого в дальнейшем формировались звезды населения II. Наше Солнце относится к звездам населения I и формировалось из газа, обогащенного элементами из звезд предыдущих поколений. Однако до сих пор нет надежных случаев обнаружения звезд населения III, а результаты уже проведенных исследований по их возможному наблюдению, в том числе в Млечном Пути, остаются предметом споров по части их верной интерпретации.

Группа астрономов во главе с Юдзуру Ёсии (Yuzuru Yoshii) из Токийского университета сообщила, что обнаружила свидетельства возможного наличия вещества сверхновых, оставшегося от звезд населения III, в квазаре ULAS J1342+0928. Ученые провели спектроскопические наблюдения за квазаром в диапазоне длин волн 0,9–2,5 микрометров при помощи спектрографа GNIRS, установленного на наземном телескопе «Джемини-Север». Исследователей интересовали эмиссионные линии Fe II и Mg II в спектре квазара, которые использовались для оценки относительного обилия [Mg/Fe] и [Fe/H], позволяющего судить о химической эволюции квазара.

Болометрическая светимость ULAS J1342+0928 составляет 2,47×10⁴⁶ эрг в секунду, он содержит сверхмассивную черную дыру с массой 7,6×10⁸ масс Солнца и наблюдается при значении красного смещения z=7,54, что соответствует возрасту Вселенной около 700 миллионов лет. Спектроскопия велась для центральной области излучения широких спектральных линий (broad-line region, BLR) квазара.

Ученые сравнивали результаты наблюдений со следующей стандартной моделью химического обогащения эллиптической галактики-хозяина квазара. Вначале в ней рождались звезды населения III из газа, полностью лишенного металлов. Массивные звезды этого поколения превращались в сверхновые, выбрасывая первые тяжелые элементы в межзвездную среду. Эти элементы постепенно распространялись по галактике, концентрируясь в ее центральной зоне, в том числе в BLR-области, где шел нагрев и ионизация газа, а также перемешивание вещества. Это приводило к постепенному обогащению металлами вещества звезд населения II. α-элементы, такие как магний, рождающиеся в ходе α-процесса, попадали в межзвездную среду при помощи сверхновых типа II, начиная с ранней стадии эволюции галактики. Железо в начале химической эволюции, в основном, поступало от сверхновых типа Ia, а позже (около одного миллиарда лет) в химическом обогащении галактики активно участвуют звезды населения II промежуточной массы, которые поставляют вещество с субсолнечной металличностью.

В случае ULAS J1342+0928 оказалось, что для BLR-области этого квазара значение [Mg/Fe] = -1,11, а [Fe/H] = 1,36. Таким образом, газ содержал в 10 раз больше железа, чем магния, по сравнению с соотношением этих элементов для Солнца. Стандартная модель химической эволюции галактики не может объяснить такие результаты, нужна модель с альтернативным кандидатом на роль поставщика железа вместо сверхновых типа Ia, который будет давать большее содержание железа, чем сверхновые типа II. Таким кандидатом будет парно-нестабильная сверхновая, которая будет представлять собой взрыв массивных звезд населения III в диапазоне масс 150–300 масс Солнца. В случае ULAS J1342+0928 это будут звезды с минимальной массой около 280 масс Солнца, при этом масса BLR-области составит около тысячи масс Солнца. Другим возможным кандидатом в поставщики железа в квазаре может быть сверхновая типа II для звезд населения III с массой около тысячи масс Солнца, однако подобные звезды, согласно моделям, будут чрезвычайно редки, а масса BLR-области оказывается меньше, чем предсказывается моделями.

Чтобы подтвердить или скорректировать эти выводы необходимы новые наблюдения за ULAS J1342+0928, а также квазарами при z больше 7, чтобы оценить значения [Si/Mg] и [Al/Mg]. Если в дальнейшем удастся подтвердить факт существования вещества парно-нестабильных сверхновых звезд населения III в далеких квазарах, то поиски звезд с очень низким значением [Mg/Fe] можно провести и в Млечном Пути с помощью новых фотометрических обзоров неба.

Подробнее про эпоху реионизации можно прочесть в нашем блоге.

Александр Войтюк