Сверхмассивные звёзды объяснили химический состав первых галактик

Наблюдения космического телескопа JWST показали, что галактики на красных смещениях z>8, то есть в первые 600 млн лет после Большого взрыва, имеют необычный химический состав. У них наблюдается широкий разброс отношения углерода к кислороду при фиксированной металличности и систематически повышенное отношение азота к кислороду по сравнению с локальными галактиками.

Эти данные долго не находили объяснения. Среди гипотез были особые истории звездообразования, притоки газа с разным химическим составом, различия в начальной функции масс звёзд, а также обогащение от звёзд Вольфа-Райе, сверхмассивных звёзд или звёзд населения III.

Группа астрофизиков представила модель химической эволюции, которая учитывает два ключевых фактора: обогащение межгалактической и около галактической среды разными источниками и наблюдаемые истории звездообразования ранних галактик. Модель применили к восьми галактикам с z>8.

Оказалось, что наблюдаемые соотношения содержаний элементов воспроизводятся только при определённых сценариях предварительного обогащения. В частности, для галактик GN-z11 и CEERS-1019 с низким C/O и высоким N/O необходима среда, обогащённая сверхмассивными звёздами, с содержанием кислорода около 10^-5 от солнечного.

Исследователи также выяснили, что плоскость log(N/O) — 12+log(O/H) даёт более жёсткие ограничения на пути обогащения, чем аналогичная плоскость для углерода и кислорода. Это позволяет лучше различать сценарии.

Авторы делают вывод, что химический состав межгалактической и около галактической среды играет критическую роль в моделях химической эволюции ранней Вселенной. Сверхмассивные звёзды, вероятно, оказали значительное влияние на содержание углерода, азота и кислорода в первые 600 миллионов лет.