Астрономи виявили, що перші покоління галактик не завжди поводяться так, як передбачають існуючі моделі. Однією з можливих причин є те, що їх наймасивніші зірки можуть сильно відрізнятися від масивних зірок Чумацького Шляху.
Нове дослідження під керівництвом Університету Юти використовує космічний телескоп Хаббла, щоб дослідити ці відмінності. Проект, відомий як «Скарбниця зірок із дуже низьким вмістом металів» (TEMPOS), спирається на ультрафіолетові (УФ) вимірювання космічного телескопа Хаббла (COS) для дослідження масивних зірок у сусідніх галактиках, які нагадують середовища, що сформувалися в ранньому Всесвіті.
Надзвичайний набір даних TEMPOS може дозволити дослідникам покращити моделі масивних зірок і краще зрозуміти, як ці потужні об’єкти впливають на молоді галактики. Ця робота стане ще більш важливою, оскільки космічний телескоп Джеймса Вебба, запущений у 2021 році, продовжує відкривати несподівано складні галактики з ранньої історії Всесвіту.
«Вебб відкрив цілий ряд питань про еволюцію цих ранніх галактик — вони дивовижні», — сказала Грейс Телфорд, доцент кафедри фізики та астрономії Університету Юти та провідний автор дослідження. «Це наукова мотивація програми TEMPOS: зрозуміти, що відбувається в цих ранніх галактиках».
Опитування опубліковано 21 вересня 2026 року Серія додатків до астрофізичного журналу.
Масивні зірки складають цілі галактики
Зірки, розміри яких у 10 разів перевищують Сонце, не є рідкістю, але їхній вплив може поширюватися на всю галактику. Вони випромінюють велику кількість радіації, постійно втрачають матеріал через зоряний вітер і, зрештою, закінчують своє життя вибухами наднових.
«Вони горять дуже гаряче, яскраво та швидко, і закінчують своє коротке життя як вибухи наднових, які викидають багато енергії та матеріалу в навколишній газ», — сказав Телфорд. «Вони контролюють еволюцію галактик-господарів, нагріваючи та, по суті, регулюючи газ, який потім стає доступним для охолодження та формування нових зірок».
Однією з головних відмінностей між ранніми галактиками та сучасними галактиками є їхній хімічний склад. Астрономи використовують металічність, щоб описати кількість елементів, важчих за водень і гелій, у зірці чи галактиці.
Перші галактики виробляли набагато менше цих важких елементів, ніж такі галактики, як Чумацький Шлях, які існують сьогодні. У результаті гігантські зірки, народжені в цей період, можуть мати фізичні властивості, які значно відрізняються від гігантських зірок, які астрономи можуть вивчати ближче до дому.
«Масивні зірки з низькою металевістю особливо важливі для створення точних моделей ранніх галактик», — сказав Телфорд. «І ми не можемо просто вивчити, як поводяться масивні зірки в Чумацькому Шляху, щоб пояснити ці спостереження».
Навколоземні галактики відкривають вікно в минуле
Астрономи не можуть досліджувати окремі масивні зірки у далекому Всесвіті достатньо добре, щоб безпосередньо виміряти багато з цих властивостей. Тому TEMPOS став відносно близьким телескопом галактик, хімічний склад яких забезпечує корисні порівняння.
У дослідженні було розглянуто 29 масивних зірок, розташованих у шести місцевих карликових галактиках. Металічність кожної відібраної галактики становить менше однієї п’ятої від Сонця, що робить зірки корисними для вивчення умов, які були звичайними набагато раніше в історії Всесвіту.
Ультрафіолетове світло дає особливо цінну інформацію про ці зірки. Ультрафіолетові спектри містять відбитки хімічних елементів в їх атмосферах, а також розкривають подробиці про зоряні вітри, які видаляють матеріал з їхніх поверхонь.
Це вимірювання важко отримати, оскільки окремі масивні зірки за межами Чумацького Шляху дуже тьмяні. Для їх вивчення можуть знадобитися багатогодинні спостереження в деяких з найпотужніших телескопів у світі.
«Це вибірка з 29 зірок, що звучить небагато, але коли для спостереження за кожною потрібно до 35 годин часу Хаббла, це стає дуже дорогим», — сказав Телфорд.
TEMPOS додав нові спостереження 12 зірок до раніше зібраних вимірювань, забезпечивши більший і послідовніший набір даних для порівняння.
Зоряні вітри значно сповільнюються при низьких рівнях металевості
Масивні зірки поступово викидають матеріал через потужні зоряні вітри. Сила та швидкість цих вітрів тісно пов’язані з металевістю зірок.
Іони металів допомагають передавати енергію від випромінювання зірки до навколишнього матеріалу, виштовхуючи цей матеріал назовні. Тому вчені очікують, що зірки з меншою кількістю важких елементів будуть розвивати слабкіші вітри та втрачати менше маси протягом свого життя.
TEMPOS підтвердив широку картину, яку очікували астрономи. Зі зменшенням металевості зменшується і максимальна швидкість зоряного вітру.
Однак на крайньому кінці вибірки сталося щось несподіване.
Для зірок із металічністю, меншою ніж приблизно на 10% від Сонця, швидкість вітру зменшилася набагато більше, ніж тенденції, передбачені для вищої металевості.
«Існує плоска тенденція, і раптово для зірок з найнижчою металічністю швидкість вітру дійсно падає», — сказав Телфорд. «Я був дуже схвильований, коли знайшов цей веселий сюрприз у даних».
Це різке зменшення може мати серйозні наслідки для життя та смерті масивних зірок. Якщо зірки з дуже бідним вмістом металу втрачають менше матеріалу через вітри, вони можуть зберігати свою початкову масу протягом усього свого життя.
Ця різниця може змінити їхню подальшу еволюцію, їх остаточну смерть і кількість енергії та матеріалу, які вони повертають у своє оточення. Оскільки масивні зірки допомагають контролювати газ, доступний для майбутнього зореутворення, навіть зміни, що відбуваються всередині окремих зірок, можуть в кінцевому підсумку вплинути на розвиток цілих галактик.
Залізо може бути важливою відсутньою частиною
Серед важких елементів, які містяться в масивних зірках, залізо може бути особливо важливим. Він допомагає керувати зоряними вітрами, впливає на еволюцію масивних зірок і відіграє важливу роль у процесах, які призводять до вибухів наднових.
Однак дуже важко виміряти залізо в середовищі з дуже низьким вмістом металів.
Астрономи часто оцінюють металічність, вимірюючи кисень у газі галактики. Іони кисню створюють яскраві емісійні лінії при освітленні масивними зірками, які порівняно легко виявити.
Дослідники часто припускають, що надлишок заліза слідує за надлишком кисню. Однак ці два елементи не обов’язково збільшуються або зменшуються відразу.
TEMPOS дозволив дослідникам безпосередньо вивчити цей зв’язок, вивчивши дуже слабке поглинання заліза в УФ-спектрах. Простіше кажучи, команда виміряла, скільки ультрафіолетового світла поглинає праска порівняно з кількістю світла, яке було б у іншому випадку.
Вони виявили, що масивні зірки в галактиках з високим вмістом кисню (з високим вмістом металу) зазвичай демонструють значно сильніше поглинання заліза, ніж зірки в галактиках з низьким вмістом кисню (з низьким вмістом металу).
У той же час діапазон поглинання заліза, виміряний TEMPOS, показує, що ці бідні на метал зірки можуть містити напрочуд різні кількості заліза.
«Це перший раз, коли ми маємо статистичну потужність, щоб побачити цю тенденцію у великій вибірці зірок у шести галактиках, усі з різним хімічним складом», — сказав Телфорд. «TEMPOS дає нам основу для визначення того, як змінюється фізика масивних зірок, коли змінюється кількість заліза в режимі дуже низької металевості».
Більша вибірка виявляє приховані тенденції
До TEMPOS Телфорд провів детальне моделювання трьох зірок, які зараз включені до більшого огляду.
Цього меншого набору було недостатньо, щоб виявити ширші візерунки, видимі на десятках зірок.
«Маючи лише три, ви не бачите цих тенденцій», — сказав він. «Ми завжди застрягли в цьому розрідженому статистичному режимі, тому це наша найкраща спроба створити досить велику вибірку, щоб зробити щось корисне».
Тепер дослідники планують узагальнити аналіз, поєднавши ультрафіолетові вимірювання Хаббла зі спостереженнями світла в обсерваторії Кека на Гаваях.
Використання обох наборів даних дозволяє вченим будувати більш детальні моделі зірок і обчислювати властивості, включаючи їх хімічний вміст і швидкість, з якою зоряний вітер здуває їх масу.
Ці вимірювання можуть зрештою покращити моделі, що використовуються для інтерпретації незвичайних ранніх галактик, спостережуваних у Мережі.
Готові для науки УФ-спектри TEMPOS також доступні через архів Мікульського для космічних телескопів, що дозволяє іншим дослідникам досліджувати додаткові питання про масивні зірки та їхній вплив на еволюцію галактик.
Співавтори опитування: Крістіана Ерба з Університету штату Каліфорнія, Фресно та планетарій Доуінг; Крістен МакКвінн з Наукового інституту космічного телескопа (STScI) та Рутгерського університету; Калум Гокрофт, Джулія Роман-Дюваль і Клаус Лейтерер з STScI; Андреас Зандер з Університету Крістіана Альбрехта в Кілі та Астрономічного наукового інституту (ARI); Джон Чісхолм і Даніель Берг з Техаського університету в Остіні та Прикордонного космічного центру; Варша Рамачандран з ARI; Юн Чжен з Політехнічного інституту Ренсселера; Еббі Мінц з Прінстонського університету; та Еван Кірбі з Університету Нотр-Дам.
Робота заснована на спостереженнях за допомогою космічного телескопа Хаббл NASA/ESA і була підтримана NASA (номер гранту GO-16767, GO-16920 і GO-17491).
