Вселенские волокна удержали первые звёзды тёплой материей

Notice: Undefined variable: 5741.7113252074 in /var/www/www-root/data/www/374.ru/tpl_text/text_picture.php on line 81

Так, вероятно, выглядела часть нашей Вселенной в возрасте 100 миллионов лет из какой-нибудь соседней вселенной (иллюстрация Liang Gao, Tom Theuns, Institute for Computational Cosmology, Durham University/Science).

О том, что в наших знаниях об окружающем мире есть серьёзный пробел, учёные догадались примерно 70 лет назад. Тогда выяснилось, что многие крупные объекты во Вселенной (типа галактик) имеют гравитацию намного большую, чем та, которой они должны обладать с точки зрения теории. А источник этой массы назвали тёмной материей — тёмной оттого, что мы никак не можем зафиксировать её непосредственно.

Однако тёмная материя появилась отнюдь не в прошлом веке, а намного раньше: судя по всему, после, а то и во время Большого взрыва.

Это грандиозное событие, с которого началась жизнь Вселенной, произошло около 13,5 миллиардов лет назад. Словом, случилось это так давно, что астрономы из института вычислительной космологии (Institute for Computational Cosmology) при университете Дарема (Durham University) — Том Тьюнс (Tom Theuns) и Лян Гао (Liang Gao) — не смогли на нём присутствовать лично.

Вверху — модель распределения тёплой тёмной материи, внизу — холодной. Тёплая тёмная материя обеспечивает существование крупных волокон, холодная — более мелких фрагментов, которые должны будут "скомковаться" в будущие звёзды (иллюстрация Liang Gao, Tom Theuns).

Немного расстроившись из-за этого, учёные решили воссоздать тот самый "фейерверк" с помощью мощнейшей компьютерной техники. И, самое главное, в своей модели они решили учесть поведение не только обычной, но и тёмной материи. Причём они возжелали исследовать сразу две разновидности тёмной материи: холодную и тёплую.

Согласно модели, свежевзорвавшаяся Вселенная поначалу была относительно равномерной — за исключением небольших колебаний плотности в разных направлениях — этакой вселенской ряби. Постепенно эта рябь начала укрупняться, как говорят Тьюнс и Гао — из-за действия гравитации на частицы тёмной материи.

Со временем это привело к формированию первых звёзд примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва. А чтобы понять механизм этого процесса, учёные условно разделили тёмную материю на холодную и тёплую.

Фрагменты трёхмерной компьютерной модели разных частей одного из волокон. Слева цветами показано распределение температур от низкой (тёмный) до горячей (светлый). Справа продемонстрировано изменение плотности волокна от малой (синий) до высокой (оранжевый) (иллюстрация Liang Gao, Tom Theuns).

Компьютерная модель космологов показала, что часть тёмной материи — так называемая холодная — двигалась относительно медленно. Со временем она повлияла на формирование отдельных изолированных объектов — звёзд.

Тёплая тёмная материя, напротив, разлеталась с большой скоростью и была связана с большими массами веществ — целыми объединениями звёзд. Однако те древние "конструкции" не имели ничего общего с современными звёздными скоплениями — они представляли собой громадные структуры в виде волокон, состоящих как из "простой", так и из тёмной материи.

Модель показала, что каждое такое волокно растягивалось примерно на 9 тысяч световых лет. Они были несколько холоднее окружающей их среды. Барионная (то бишь обычная, "нетёмная") масса таких волокон, по оценкам, была равна примерно 10 миллионам Солнц.


Notice: Undefined variable: 5859.3160030898 in /var/www/www-root/data/www/374.ru/tpl_text/text_picture.php on line 81

Журнал Science сделал главной темой выпуска статью о космических волокнах. Вы можете почитать как её официальную версию на сайте журнала, так и её препринт-вариант (иллюстрация Liang Gao, Tom Theuns, Institute for Computational Cosmology, Durham University/Science).

Волокна пребывали в крайне нестабильном состоянии и быстро разделялись на фрагменты под действием гравитации холодной тёмной материи. Из этих кусков вскоре началось формирование звёзд самых различных "калибров" — их массы колебались от обычных звёздных масс до нескольких тысяч солнечных! Это, кстати, в некоторой степени соответствует концепции об увесистости ранних звёзд.

По той теории, ранние звёзды были короткоживущими объектами, однако Тьюнс и Гао говорят, что те древние объекты сохранились и поныне. Не исключено даже (опять-таки, по мнению экспериментаторов), что есть такие звёздочки-старушки и в родном Млечном пути.

Вот только формировались они не так, как строятся теперешние звёзды.


Notice: Undefined variable: 5687.6918128599 in /var/www/www-root/data/www/374.ru/tpl_text/text_picture.php on line 81

А вот эти космические волокна… Ой, нет, это не космические волокна, а астрономы из университета Дарема — Лян Гао и Том Тьюнс! По словам последнего, многих астрофизиков очень беспокоит такой вопрос: "Куда делись потомки первых звёзд?" Теперь ответ на него известен: "Никуда они не делись, а искать их можно хоть в нашей галактике. А залогом их существования во многом служит тёплая тёмная материя" (фото с сайтов star-www.dur.ac.uk и dur.ac.uk).

Сейчас этот процесс начинается со сжатия молекулярного облака, превращающегося в протозвёзду, которая потом эволюционирует определённым образом — в зависимости от разных условий. Тогда же, в древности, это часто происходило иначе: плотность вещества в волокне была довольно высокой, и столкновения объектов внутри него были неизбежными. В частности, звёзды субсолнечных масс сливались между собой, давая начало более крупным светилам.

Объекты, родившиеся в результате этого, согласно Тьюнсу и Гао, обладали малым содержание металлов. Так вот, исследователи говорят, что сейчас в нашей Галактике "обитают" звёзды, характеризующиеся именно таким составом. Следовательно, и возникли они из материала древнейших протозвёзд.

Учёные полагают, что сжатие холодной тёмной материи внутри волокон могло приводить не только к объединению вещества в звёзды, но и к его концентрации в более массивные "комки". А этим сгусткам дорога одна — в чёрные дыры. Собственно, исследователи уверены в том, что как раз в то время из-за этого и сформировались гигантские чёрные дыры, которые теперь сидят в центрах многих нынешних галактик.


Notice: Undefined variable: 5739.7382692527 in /var/www/www-root/data/www/374.ru/tpl_text/text_picture.php on line 81

Это модель формирования отдельного волокна размером около 90 тысяч световых лет под действием тёплой материи вскоре после Большого взрыва. Волокно не крутится — это вокруг него вращается видеокамера, которая могла бы снимать этот процесс. Сие действо должно было занимать многие миллионы лет (анимация с сайта star-www.dur.ac.uk).

В ту эпоху доминировала тёплая тёмная материя, которая и обеспечивала существование скоплений вещества в виде волокон. Со временем они стали понемногу "рассасываться", что неким образом подтверждает другая модель — трёхмерная карта тёмной материи.

Напоследок напомним, что учёные пока не смогли заманить тёмную материю ни в какой капкан. Естественно, и пощупать её пока никому не довелось: неясно, из каких элементарных частиц состоит эта загадочная сущность. Тем не менее, известно — наука уже располагает убедительными доказательствами того, что таинственная субстанция действительно существует на свете.

А ещё оказалось, что процесс звёздообразования в то время сопровождался интенсивным излучением в разных диапазонах, которое ярко подсвечивало космические волокна изнутри. Видимо, тогда Вселенная выглядела просто потрясающе. Впрочем, и сейчас она выглядит неплохо — вы уж нам поверьте!