Первые звёзды появились, когда тяготение собрало первичный водород и гелий в плотные облака, их центры разогрелись, а затем в них началось термоядерное слияние. Вероятнее всего, это произошло через несколько десятков или сотен миллионов лет после Большого взрыва. Точная дата пока неизвестна, потому что свет самых первых звёзд чрезвычайно трудно отделить от излучения молодых галактик.
Что было до первого звёздного света
После горячего начала Вселенной вещество постепенно остыло. Примерно через 380 тысяч лет образовались нейтральные атомы, и космос стал прозрачным для света. Однако привычных источников видимого излучения ещё не существовало. Этот период называют космическими тёмными веками.
В пространстве находился почти однородный газ, состоявший главным образом из водорода и гелия. В нём были небольшие различия плотности. Там, где вещества оказывалось немного больше, притяжение было сильнее. Такие области медленно втягивали окружающий газ и росли внутри гравитационных скоплений тёмной материи.
Тёмные века не означают полного бездействия. Именно тогда закладывались первые структуры. Газ двигался, сталкивался, нагревался и снова охлаждался. Чтобы образовать звезду, облаку требовалось потерять часть тепловой энергии, иначе давление мешало бы дальнейшему сжатию.
Как облако превращается в звезду
Тяготение заставляет достаточно массивное газовое облако сжиматься. При сжатии частицы движутся быстрее, поэтому центр нагревается. Одновременно газу нужно излучать тепло. В современной Вселенной охлаждению помогают тяжёлые элементы и пыль, но первичный газ почти не содержал ничего тяжелее лития.
Главным помощником стали молекулы водорода. Их было немного, однако они могли отдавать часть энергии в виде излучения. Газ продолжал сжиматься и распадался на более плотные области. В центре одной из них возникал протозвёздный объект, на который падало окружающее вещество.
Когда температура и давление в ядре становились достаточно высокими, ядра водорода начинали сливаться с образованием гелия. Часть массы превращалась в энергию. Внешнее давление горячего газа уравновешивало притяжение, и рождалась устойчивая звезда.
Какими были первые звёзды
Астрономы называют гипотетическое первое поколение населением III. Название историческое: населением I считают молодые богатые тяжёлыми элементами звёзды, населением II – старые бедные ими звёзды, а полностью первичному поколению достался третий номер.
Состав первых звёзд был необычно простым. В них почти не было углерода, кислорода, кремния и железа. Из-за особенностей охлаждения первичного газа многие из них могли быть значительно массивнее Солнца. Однако расчёты допускают широкий диапазон масс, поэтому нельзя утверждать, что каждая первая звезда была гигантом.
Массивные звёзды очень яркие, горячие и недолговечные. Они расходуют топливо гораздо быстрее Солнца и могут завершить жизнь всего за несколько миллионов лет. Их ультрафиолетовое излучение меняло окружающий газ, а мощные взрывы разбрасывали первые тяжёлые элементы.
Как первые звёзды преобразили космос
Свет первых звёзд начал ионизировать нейтральный водород вокруг них. Возникали растущие пузыри ионизированного газа. Со временем они объединялись, и межгалактическое пространство снова стало в основном ионизированным. Этот длительный переход называют эпохой реионизации.
Внутри звёзд происходил ещё один важный процесс. Термоядерные реакции создавали элементы тяжелее гелия. В ядрах массивных звёзд последовательно образовывались углерод, кислород и другие элементы вплоть до железа. Взрывы сверхновых и мощные выбросы распространяли их по окружающему газу.
Следующее поколение звёзд рождалось уже из обогащённого вещества. Тяжёлые элементы и пыль позволяли облакам эффективнее охлаждаться и делиться на небольшие фрагменты. Благодаря этому стало легче формировать менее массивные долгоживущие звёзды и в дальнейшем каменные планеты.
Где они находились
Первые звёзды возникали не равномерно по всему пространству. Они зажигались в наиболее плотных узлах космической сети, внутри небольших молодых гало тёмной материи. Несколько таких систем объединялись, притягивали новый газ и постепенно превращались в строительные блоки первых галактик.
Граница между «первой звездой» и «первой галактикой» поэтому не резкая. Одинокая звезда могла светить внутри небольшого газового гало, а рядом появлялись новые. Когда система становилась устойчивой, содержала множество звёзд, газ и тёмную материю, её уже можно считать молодой галактикой. Этот следующий уровень пути разбирает статья «Как рождаются и развиваются галактики?».
Почему мы пока не увидели первую звезду напрямую
Свет от той эпохи шёл к нам более 13 миллиардов лет. Расширение пространства растянуло его волны, поэтому исходное ультрафиолетовое излучение приходит в инфракрасном диапазоне. Даже очень массивная отдельная звезда на таком расстоянии выглядит чрезвычайно слабой.
Наблюдения осложняет и то, что первые звёзды быстро образовывали группы. Телескоп видит суммарный свет молодой галактики, а не каждую звезду отдельно. Гравитационное линзирование иногда усиливает далёкие источники, но уверенно доказать, что объект относится к полностью первичному поколению, всё равно трудно.
Учёные ищут несколько признаков одновременно: спектр без следов тяжёлых элементов, характерное ионизирующее излучение, возраст объекта и его окружение. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» исследует очень ранние галактики и приближает поиск, однако интерпретация требует осторожности.
Почему этот этап важен для нас
Первые звёзды превратили простую смесь водорода и гелия в химически богатую Вселенную. Без их ядерных реакций не возникли бы многие атомы, из которых состоят Земля, вода и живые организмы. Они также дали свет тёмной эпохе и подготовили газ для следующих поколений звёзд.
Их история связывает космологию с происхождением нашей планеты. После рождения звёзд вещество начало собираться в более крупные системы, затем возникли галактики и планетные диски. Все восемь стадий от ранней Вселенной до жизни можно пройти последовательно в разделе «Маршруты знаний».
