Мерцающие звездочки кажутся крошечными точками света, но в реальности они огромны. Астрономы точно не знают, насколько большой может стать звезда, но при определенных обстоятельствах, похоже, они могут стать воистину колоссальными. Ближайшая к нам звезда — это, конечно, Солнце. Оно имеет массу порядка 2 миллионов триллионов триллионов килограммов (двойка и за ней тридцать нулей). Если бы Земля весила как скрепка для бумаг, Солнце весило бы как мотоцикл «Урал».
Хотя Солнце не такое уж и легкое, в действительности его вес немногим выше среднего. Около 1% звезд весят в восемь раз больше Солнца, и сущая горстка звезд в галактике весит как сто или двести солнц.
Самая известная массивная звезда — R136a1 (относится к голубым гипергигантам) — весит порядка 265 солнечных масс. Она настолько огромна, что ее открытие в 2010 году побудило астрономов пересмотреть свои теории о том, насколько массивной может звезда стать.
Это, в свою очередь, заставляет нас пересмотреть наши представления о первых звездах, которые когда-то были образованы. Оказывается, некоторые из этих первых звезд, родившихся всего спустя 200 миллионов лет после Большого Взрыва, могли весить в 100 000 раз больше Солнца, что делает их самыми массивными звездами в принципе. Вопрос в том, как R136a1 и эти первичные звезды вообще смогли стать такими большими?
Масса звезды — не просто интересная величина. Это самая важная собственность звезды, определяющая, как звезда живет и умирает. Звезда — это гигантский шар горячего газа, настолько массивный, что его гравитация притягивает его самого к себе. Вследствие этого ядро звезды становится чрезвычайно плотным и горячим. Это запускает ядерную реакцию, в процессе которой пары атомов сливаются в более крупные, производя много тепла и давления, которое толкает звезду обратно наружу.
Жизнь звезды висит в этом балансе между гравитацией и давлением. Как только заканчивается топливо, ядерный синтез останавливается и не может препятствовать коллапсу.
Судьба звезды и скорость ее выгорания полностью зависит от ее массы.
Массивные звезды в несколько десятков солнечных масс выгорают быстро и ярко. Они живут всего несколько сотен миллионов лет, прежде чем взорваться в виде сверхновой и оставить за собой плотные, экзотические объекты вроде черной дыры или нейтронной звезды.
И напротив, небольшие звезды вроде Солнца медленно и стабильно выгорают миллионы лет, прежде чем стать звездными трупиками — белыми карликами.
Самая маленькая звезда может быть 0,08 солнечной массы, исходя из относительно уверенных и простых расчетов. Звезда именно такой массы достаточно массивна, чтобы запустить ядерный синтез. Все, что меньше, будет просто шаром газа. Но если астрономы хорошо понимают минимальную массу звезды, на другом конце все размыто. «Это одна из самых крупных неразрешенных загадок астрофизики», — говорит Волкер Бромм, астрофизик Техасского университета в Остине, США.
Еще десять лет назад астрономы думали, что верхний предел звездных масс в текущей Вселенной составляет 150 солнечных масс. «Было много хороших свидетельств в пользу этого предела, как из теорий, так и из наблюдений», — говорит Пол Краутер из Университета Шеффилд в Великобритании.
Вам должно повезти, чтобы вы увидели звезду с высокой массой, поскольку срок их жизни очень короток. Звезды в сто или больше солнечных масс умирают за пару миллионов лет: мгновение ока по космическим меркам.
Одно из многообещающих мест для поиска такой звезды — это кластер Арки, одна из самых плотных коллекций звезд в Млечном Пути. Этот кластер, казалось, сформировался относительно недавно, поскольку наиболее массивные звезды еще живы. Вокруг него также валяется много материала для звездообразования, обеспечивая среду, благоприятную для звездных гигантов.
Но астрономы не смогли найти звезды с массой больше 150 солнечных. Возможно, подумали они, звезды просто не могут стать настолько массивными. В какой-то момент звезда должна стать настолько массивной и яркой, что ее радиация сдувает внешние слои, препятствуя дальнейшему росту. Это естественное ограничение массы называется пределом Эддингтона, и расчеты предполагают, что он близок к 150 солнечным массам.
Но в 2010 году Краутер и группа астрономов изучила еще более тяжелую группу звезд скопления R136. Там они обнаружили не одну, а даже несколько звезд, превзошедших предел в 150 солнечных масс. Самая удивительная, которая R136a1, была невероятной массы в 265 солнечных.
Более того, возможно, она была еще тяжелее, когда родилась.
R136a1 — звезда Вольфа — Райе: это означает, что она массивная, яркая и горячая, с мощной радиацией, которая сдувает ее внешние слои. Ее температура порядка 53 000 градусов по Цельсию, и светится она в 10 миллионов раз ярче Солнца. Даже если она молода, едва ли больше миллиона лет, она уже потеряла газа на 50 наших Солнц.
Из чего следует, что R136a1 когда-то весила больше 300 солнц. Намного больше предела в 150 солнечных масс.
Превышение этого предела не составило проблемы. Предыдущие оценки предела Эддингтона оказались относительно сырыми, говорит Краутер, и более подробные расчеты показали, что звезды могут быть намного более массивными — в теории, по крайней мере.
Что касается кластера Арки, астрономы обнаружили, что он старше, чем думали раньше, и по-настоящему массивные звезды давно уже перестали существовать. R136, впрочем, намного моложе изначальных звезд.
Как бы то ни было, тяжеловесы вроде R136a1 — редкость. В Млечном Пути их может быть совсем мало, говорит Краутер. «Самый большой вопрос в том, как они набрали такую массу», — говорит он.
Чтобы растущая звезда набрала массу, необходимо время. Звездам вроде Солнца нужно порядка 10 миллионов лет на образование. Но звезды вроде R136a1 живут всего пару миллионов лет, поэтому они должны были образоваться сотни тысяч лет назад.
Никто не знает наверняка. Одна из идей заключается в том, что эти колоссальные звезды образуются, когда сталкиваются длинные нити холодного и плотного газа. За последние пару лет Космическая обсерватория Гершеля в Европе обнаружила такие нити по всей галактике. Каждая вытягивается на несколько световых лет.
Когда эти нити сталкиваются между собой, могут образоваться плотные объемы газа, которые коллапсируют в звезду, давая жизнь одновременно целому звездному скоплению. Большинство этих новых звезд будет мелкими, некоторые массивными, а еще меньше гигантскими вроде R136a1.
Трудно понять, как именно это происходит. «Детали довольно размыты, я бы сказал», — говорит Краутер. Эти регионы массивного звездообразования скрыты облаками плотной межзвездной пыли, поэтому даже самый мощные телескопы с трудом могут через них пробиться.
Гигантские звезды могут также образоваться, когда звезды сливаются между собой. Большинство тяжелых звезд пребывают в парах, так или иначе, поэтому если пара таких звезд будет иметь массу в несколько десятков раз превышающую солнечную, они могут слиться в одну большую звезду.
Как звезды вроде R136a1 становятся такими большими, пока остается загадкой, но самые первые звезды удивляют еще больше. Они воистину огромны.
Спустя 200 миллионов лет после Большого Взрыва было много света. Когда облака газообразного водорода и гелия коллапсировали в первые звезды Вселенной. В отличие от современных звезд, все они были намного более массивными. Многие весили десятки солнечных масс, некоторые достигали сотни или двух. Те первые звезды могли доходить до этого, поскольку космическая среда была другой. В частности, не было тяжелых химических элементов.
Тяжелые элементы важны, поскольку помогают охлаждать газовые облака. В горячем газе атомы мельтешат туда сюда и сталкиваются друг с другом. Тяжелые элементы могут преобразовать эту энергию столкновения в свет, который затем будет излучен. Так уходит тепло.
Но тяжелые элементы существовали не всегда. Они были выкованы из ядерного синтеза в ядрах звезд и во взрывных смертях массивных звезд. Поколение за поколением, звезды производили все элементы, которые мы находим в космосе сегодня. Когда появились первые звезды, в мире был лишь водород, гелий и крошечные доли лития.
Без тяжелых элементов, газовые облака остывали с трудом, а значит, им было тяжелее коллапсировать в звезды. Чтобы компенсировать это, каждое облако росло все больше и больше, набирая больше тяжести, чтобы спровоцировать коллапс. В результате рождались звезды, которые более массивны, чем современные звезды.
В течение многих десятилетий никто не знал наверняка, насколько именно массивней. Совсем недавно астрономы пришли к открытию: те звезды могли быть намного больше, чем считалось ранее.
Астрономы обнаружили квазары, существующие в течение миллиарда лет после Большого Взрыва.
Квазары — это чрезвычайно яркие объекты, которые подпитываются черной дырой в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца. Черная дыра питается закрученным диском пыли и газа, выбрасывая мощные пучки энергии.
И снова загадка: как там образовались эти сверхмассивные черные дыры?
Черные дыры образуются, когда звезды исчерпывают свое топливо и коллапсируют. Чтобы черная дыра стала сверхмассивной, она должна поглотить много массы в форме ближайшего газа и пыли, либо слиться с другими черными дырами.
Проблема в том, что эти квазары существовали в такой ранней истории космоса, что сверхмассивные черные дыры должны были набрать свой вес за невероятно короткий промежуток времени. Исходя из теории и компьютерных симуляций, даже звезды в несколько сотен солнечных масс не смогли бы вырасти так быстро, чтобы стать сверхмассивными.
Существует решение этого парадокса, но оно включает в себя по-настоящему гигантские звезды в 100 000 солнечных масс. Рядом с такими звездами даже R136a1 была бы карликом.
Компьютеры расчеты показывают, что облако в миллион солнечных масс может коллапсировать в звезду с массой в 100 000 солнц. Условия тоже должны быть подходящими: никаких тяжелых элементов и много ультрафиолетового излучения, которое дополнительно препятствует охлаждению газовых облаков.
Звезда таких размеров будет неустойчивой и может моментально коллапсировать в черную дыру. Эта черная дыра затем продолжит наращивать свою массу, потребляя пыль и газ, либо сливаясь с другими черными дырами, пока не станет достаточно массивной, чтобы питать квазар.
Таковая теория. «Наши компьютеры терпеливо создают такие объекты, — говорит Александр Хегер из Университета Монаша в Австралии. — Но существуют ли они в природе, у нас нет никаких прямых доказательств этого. Все они теоретические на данный момент».
Мы могли бы получить прямые доказательства, если бы наблюдали за слиянием черных дыр.
Когда две черные дыры сталкиваются, они создают рябь на поверхности ткани пространства-времени, гравитационные волны. Европейский лазерный интерферометр eLISA должен будет обнаружить их, когда его запустят после 2028 года. Измеряя эти волны, астрономы смогут определить массы сливающихся черных дыр и их возможное происхождение из сверхмассивных звезд.
Астрономы также ждут следующего поколения телескопов, среду которых космический телескоп Джеймса Уэбба, Тридцатиметровый телескоп, Европейский Чрезвычайно Большой телескоп и Гигантский Магелланов телескоп. Эти обсерватории могли бы найти первые черные дыры, рожденные из сверхмассивных звезд. Они даже могли бы уловить звезду в процессе коллапса в черную дыру.
Такие открытия могут перевернуть наше понимание звезд и космоса в целом. Поняв, с чего начались первые массивные звезды, астрономы могли бы узнать, какими были первые галактики.
«Вопрос о природе первых звезд и пределах их массы может рассказать нам об особенном моменте космической истории. До него Вселенная была простым и скучным местом, в котором даже не было источников света».
