Команда студентов Чикагского университета открыла самую «химически первозданную» звезду из известных во Вселенной — чрезвычайно редкую находку, позволяющую заглянуть в самую раннюю эпоху звездообразования. Звезда, получившая обозначение SDSS J0715-7334, обладает металличностью всего 0,005% от солнечной — более чем в два раза ниже, чем у предыдущего рекордсмена. Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.
Открытие на весенних каникулах
Открытие стало результатом университетского курса «Полевой курс астрофизики», который ведет ассистент профессора астрономии Александр Цзи. В рамках курса десять студентов изучали данные Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey) в поисках необычных звезд. Они искали объекты с аномальными спектральными характеристиками — слишком слабыми линиями тяжелых элементов, что указывало бы на их древность.
После выявления 77 кандидатов студенты во время весенних каникул в марте 2025 года отправились в обсерваторию Лас-Кампанас научного центра Карнеги в Чили, чтобы наблюдать за ними с помощью двух оптических телескопов «Магеллан». Студенты получили возможность работать с профессиональным оборудованием и самостоятельно проводить наблюдения — редкая практика для бакалавриата.
В первую же ночь, 21 марта 2025 года, вторая наблюдаемая ими звезда все изменила.
«Она начала издавать какие-то звуки, а потом: «Это безумие, может, это ошибка?»» — вспоминает студентка четвертого курса Натали Оррантия, описывая реакцию ассистентки преподавателя Хиллари Диан Андалес во время предварительного анализа данных.
Что такое металличность звезды
В астрономии «металлами» называют любые элементы тяжелее водорода и гелия. Это не совпадает с бытовым пониманием металлов: астрономы считают металлами даже кислород, углерод и азот. Первые звезды во Вселенной формировались из первичного газа, состоявшего почти исключительно из водорода и гелия, образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Тяжелые элементы появились позже, когда массивные звезды взорвались как сверхновые и выбросили в космос вещество, обогащенное элементами, синтезированными в их недрах.
Звезды с малым содержанием металлов должны были сформироваться до того, как произошла бо́льшая часть вспышек сверхновых, что относит их к самым ранним поколениям звезд. SDSS J0715-7334 содержит всего 0,005% от солнечной металличности — это означает, что она сформировалась из газа, который был обогащен лишь несколькими поколениями сверхновых. Возраст такой звезды может достигать 13 миллиардов лет — почти как возраст самой Вселенной (13,8 миллиарда лет).
Иммигрант из другой галактики
Используя астрометрические данные миссии Gaia Европейского космического агентства (ESA), команда проследила орбиту звезды в обратном направлении на миллиарды лет назад и установила, что она сформировалась в Большом Магеллановом Облаке — крупнейшей галактике-спутнике Млечного Пути, расположенной на расстоянии около 160 000 световых лет от нас.
Звезда была гравитационно захвачена Млечным Путем миллиарды лет назад, в период тесного взаимодействия двух галактик. Александр Цзи назвал ее «древним иммигрантом» — звезда родилась в другой галактике, а затем оказалась в нашей. Сейчас SDSS J0715-7334 находится на расстоянии около 80 000 световых лет от Земли, в гало Млечного Пути — области, окружающей галактический диск и содержащей старейшие звезды.
«Этот древний иммигрант дает нам беспрецедентную возможность заглянуть в условия ранней Вселенной, — сказал Цзи. — Изучение таких звезд помогает понять, как формировались первые поколения звезд и какие процессы определяли химическую эволюцию галактик».
Космическая пыль вместо углерода
Содержание углерода в звезде оказалось ниже порога обнаружения. Это важное наблюдение для понимания механизмов формирования звезд в ранней Вселенной. Ранее считалось, что охлаждение газовых облаков и их фрагментация на более мелкие сгустки, из которых затем формируются звезды, происходили благодаря углероду и другим тяжелым элементам. Эти элементы эффективно излучают энергию, охлаждая газ и позволяя гравитации сжимать его в протозвезды.
Однако крайне низкое содержание углерода в SDSS J0715-7334 указывает на то, что в ее случае охлаждение происходило за счет космической пыли — мельчайших твердых частиц, образовавшихся из тяжелых элементов, выброшенных первыми сверхновыми.
«Похоже, что переход с гораздо большей вероятностью был вызван именно этой космической пылью», — сказал аспирант и соавтор исследования Пьер Тибодо.
Цзи отметил, что этот путь формирования, управляемый пылью, ранее наблюдался лишь однажды. Открытие второго такого примера подтверждает, что космическая пыль играла ключевую роль в формировании звезд на заре Вселенной, когда тяжелых элементов было еще очень мало.
От наблюдений к публикации
В течение следующей академической четверти студенты разделились на группы для анализа данных и написания научной статьи. Они проводили спектральный анализ, моделировали орбиту звезды, сравнивали ее характеристики с теоретическими предсказаниями и готовили результаты к публикации в одном из ведущих астрономических журналов.
«Я ожидал от студентов многого, но это выше всяких похвал», — сказал Цзи.
Джуна Кольмайер, директор пятой фазы Слоановского цифрового обзора неба (SDSS-V), заявила, что студенты «подтвердили свое неотъемлемое право заниматься физикой» — то есть доказали себе и научному сообществу, что способны делать настоящие открытия, а не только изучать уже известное.
«Имея этот ориентир, исследователи теперь могут сузить область поиска подобных древних звезд, — считает Оррантия. — Чем больше их найдут, тем лучше будет наше понимание того, как эволюционировала Вселенная».
Открытие SDSS J0715-7334 показало, где и как искать реликтовые звезды первых поколений, что может привести к новым находкам в ближайшие годы.
Часто задаваемые вопросы
Почему эта звезда считается древнейшей, если ее возраст не измерен напрямую?
Возраст звезды определяется не прямым измерением, а по ее химическому составу — металличности. Звезды с очень низким содержанием тяжелых элементов должны были сформироваться в ранней Вселенной, когда еще не произошло достаточно вспышек сверхновых, чтобы обогатить межзвездный газ металлами. SDSS J0715-7334 обладает металличностью всего 0,005% от солнечной, что указывает на возраст около 13 миллиардов лет. Прямое измерение возраста настолько древних звезд крайне затруднительно, поэтому астрономы полагаются на металличность как на косвенный, но надежный индикатор. Чем беднее звезда металлами, тем раньше она сформировалась.
Как студенты смогли сделать такое крупное открытие?
Студенты работали в рамках учебного курса, который предоставил им доступ к профессиональным данным Слоановского цифрового обзора неба и времени наблюдений на телескопах «Магеллан» в Чили. Они применили те же методы, что и профессиональные астрономы: поиск кандидатов в архивных данных, спектроскопические наблюдения, анализ химического состава. Ключевым фактором стало то, что курс был построен как реальное исследование, а не учебная имитация. Студенты не просто учились — они сами искали реальные объекты и нашли исключительно редкую звезду. Это показывает, что при правильной организации учебного процесса студенты способны вносить ценный вклад в науку.
Можно ли найти еще более древние звезды?
Теоретически да, но на практике это крайне сложно. Звезды самого первого поколения — так называемые звезды населения III, сформировавшиеся из первичного газа без каких-либо тяжелых элементов, — до сих пор не обнаружены. Возможно, все они уже взорвались как сверхновые, поскольку были очень массивными и короткоживущими. SDSS J0715-7334 относится ко второму или третьему поколению звезд, сформировавшихся из газа, слегка обогащенного первыми сверхновыми. Поиск еще более бедных металлами звезд продолжается, но с каждым шагом вниз по металличности количество таких объектов резко уменьшается. Открытие SDSS J0715-7334 задает новую планку и показывает, что даже звезды с металличностью в тысячные доли солнечной все еще существуют и могут быть найдены.
Читайте также: «Джеймс Уэбб» впервые обнаружил углеродную пыль в самых ранних звездах Вселенной.
