В молодой Вселенной, вероятно, некоторые звезды образовывались в «пуховых» облаках.

С помощью современных астрономических инструментов ученые узнали, как в настоящее время формируются звезды. Они возникают в плотных и холодных «колыбелях» космоса — молекулярных облаках.

Эти области представляют собой огромные скопления газа и пыли, где температура может опускаться до нескольких десятков градусов выше абсолютного нуля (до минус 260 градусов Цельсия). Молекулярными их называют потому, что они в основном состоят из молекулярного водорода, хотя могут содержать множество различных соединений. Атомы водорода сближаются, образуя ковалентные связи и формируя молекулы водорода.

Под воздействием гравитации газ и пыль сжимаются. Сжатый материал собирается в плотные комки — протозвезды, которые затем нагреваются. Когда температура в их центрах достигает достаточно высоких значений, начинается ядерный синтез: водород преобразуется в гелий, и протозвезда загорается, становясь настоящей звездой.

Когда в молекулярном облаке газ начинает сжиматься под действием гравитации, в нем уже присутствуют не только водород, но и некоторые тяжелые элементы (или «металлы»). Эти элементы, образовавшиеся в предыдущих поколениях звезд, способствуют охлаждению газа и помогают образовывать молекулы, которые эффективно излучают тепло.

В молекулярных облаках могут формироваться тысячи светил, а такие объекты также очень массивные: они простираются на сотни световых лет. В Млечном Пути эти облака напоминают длинные нитеобразные структуры шириной около 0,3 светового года. Ученые полагают, что Солнце появилось в таком же «нитевидном» облаке.

Но как формировались светила в молодой Вселенной, где почти не было тяжелых элементов? Ответ на этот вопрос пыталась найти команда японских астрономов под руководством Казуки Токуда (Kazuki Tokuda) из Университета Кюсю. Для этого ученые исследовали соседнюю галактику с условиями, близкими к условиям ранней Вселенной.

Токуда и его коллеги провели наблюдения за Малым Магеллановым Облаком — карликовой галактикой, расположенной в 20 тысячах световых лет от Земли. В ней в пять раз меньше тяжелых элементов, чем в Млечном Пути, что делает ее очень похожей на космическую среду Вселенной возрастом приблизительно 10 миллиардов лет. С помощью радиотелескопа ALMA в Чили ученые впервые получили детализированные изображения 17 молекулярных облаков, где формируются молодые звезды, масса которых в 20 раз превышает массу Солнца.

Результаты оказались неожиданными: 60 процентов облаков имеют нитевидную структуру шириной 0,3 светового года, как в нашей Галактике. Однако остальные 40 процентов выглядели иначе — напоминали «пухлые» клубки газа без четкой формы. При этом температура внутри нитевидных облаков оказалась выше, чем в «пухлых». По мнению авторов исследования, разница объясняется возрастом структур.

Токуда пояснил, что изначально все молекулярные облака были нитевидными и очень горячими, поскольку частицы в них постоянно сталкивались и нагревались. Когда облако горячее, оно спокойное, в нем не так много перемешиваний. При высокой температуре движения газа (турбулентность) слабы.

Но со временем облако остывает. Когда холодный газ попадает в эту структуру, он начинает двигаться быстрее (возрастает турбулентность) и перемешивает облако, как будто «взбивает». Из-за этого нитевидная структура размывается, и молекулярное облако принимает «пухлую» форму.

«Форма облака влияет на то, какие звезды в нем образуются. Если молекулярное облако остается нитевидным, оно может разделиться на множество маленьких кусочков вдоль своей длины. В каждом таком кусочке может появиться звезда, похожая на наше Солнце, с планетами вокруг. Однако если облако стало пухлым, то есть нитевидная структура исчезла, то звездам, подобным нашему светилу, будет сложнее образоваться», — пояснил Токуда.

Авторы исследования отметили, что окружающая среда молекулярного облака влияет на его форму. Например, достаточное количество тяжелых элементов помогает сохранить нитевидную структуру и, как следствие, может играть важную роль в формировании планетарных систем.

В будущем Токуда и его коллеги планируют сопоставить данные о молекулярных облаках в Малом Магеллановом Облаке с данными о таких же структурах в других галактиках. Это поможет понять, как эволюция химического состава Вселенной изменила «правила» рождения звезд.

Научная работа опубликована в The Astrophysical Journal.