Исследователи из Института астрономии и астрофизики Академии Синика (ASIAA) использовали суперкомпьютер Национальной лаборатории Беркли, чтобы понять, почему масса звезд первого поколения была меньше прогнозируемой. Моделирование показало, что в их формировании важную роль сыграла турбулентность.
Ученые создали трехмерную гидродинамическую модель высокого разрешения для турбулентных звездообразующих облаков, в которых сформировались первые звезды. Моделирование показало, что сверхзвуковая турбулентность эффективно фрагментирует облака на несколько сгустков. В центре каждого из них образуется плотное ядро от 22 до 175 солнечных масс, которым суждено сформировать первые звезды в 8–58 массивнее Солнца. Этот результат хорошо согласуется с наблюдениями.
Результаты суперкомпьютерного моделирования структуры Вселенной во время формирования первых звезд. Серые структуры иллюстрируют распределение темной материи, когда первые звезды формируются внутри гало темной материи. Красочные пятна представляют собой звезды различной массы. Изображение: ASIAA/ Ke-Jung Chen
Во время формирования космической структуры молекулярный газ течет в гравитационные «колодцы», созданные ореолами темной материи. В центре гало это вызывает мощное турбулентное движение, которое приводит к появлению отчетливых комковатых структур. В конечном итоге плотные ядра внутри этих сгустков коллапсируют, формируя звезды.
Результаты суперкомпьютерного моделирования структуры Вселенной во время формирования первых звезд: комковатые структуры, на которое распадается молекулярное облако. Изображение: ASIAA/ Ke-Jung Chen
Примерно через 200 млн лет после Большого взрыва во Вселенной начали формироваться первые звезды. Они преобразовывали водород и гелий, производя более тяжелые элементы посредством ядерного горения в ядрах. В конце жизненного цикла некоторые из этих звезд стали сверхновыми, создав мощные взрывы, которые разбросали синтезированные элементы по ранней Вселенной.
Тип сверхновой зависит от массы первой звезды в момент ее гибели. Исследование чрезвычайно бедных металлами звезд, образовавшихся после первых звезд и их сверхновых, сыграли решающую роль в оценке типичной массы первых светил во Вселенной. Согласно наблюдениям масса этих звезд была от 12 до 60 раз больше, чем у Солнца.
Однако предыдущие космологические моделирования предполагали, что масса первых звезд должна была составлять от 50 до 1000 солнечных. Это значительное расхождение между моделированием и наблюдениями более десяти лет ставило в тупик астрофизиков. Результат новой симуляции впервые установил важность турбулентности в формировании первых звезд и устранил необъяснимые несоответствия.
